威斯康星大学麦迪逊分校和布鲁克海文国家实验室的研究人员开发了一种新型X射线成像技术，用于可视化和研究锂离子可充电电池中的电化学反应，此举可以提高从便携式电子设备到电动微电脑的各种能量存储能力。含有新型材料，氟化铁。

“氟化铁有可能使传统锂离子电池能储存的能量增加两倍，”威斯康星大学麦迪逊化学教授和威斯康星能源研究所附属机构的宋进说。“但是，我们还没有挖掘其真正的潜力。”

研究生Linsen Li与Jin和其他合作者一起在布鲁克海文的国家同步加速器光源上使用最先进的透射X射线显微镜进行了实验。在那里，他们从电池循环期间充满氟化铁的实际纽扣电池收集化学图，以确定它们的性能。结果发表在Nature Communications杂志上。

“在过去，我们无法真正了解电池反应过程中氟化铁的情况，因为其他电池组件正在妨碍获得精确的图像，”李说。

通过考虑否则会混淆图像的背景信号，Li能够准确地在纳米尺度上可视化和测量氟化铁经受储存和释放能量的化学变化。

到目前为止，在可充电锂离子电池中使用氟化铁给科学家带来了两个挑战。首先是它目前的形式不能很好地充电。

“这就像你的智能手机第一次只收取一半的费用，之后甚至更少，”李说。“消费者宁愿使用通过数百次收费持续收费的电池。”

通过检查纳米级电池中的氟化铁转化，Jin和Li的新X射线成像方法确定了每个单独的反应，以了解为什么容量衰减可能正在发生。

“在分析这一级别的X射线数据时，我们能够比以前的方法更精确地跟踪电化学反应，并确定氟化铁在具有多孔微观结构时表现更好，”Li说。

第二个挑战是氟化铁电池材料不会释放出足够的能量，从而降低了能源效率。目前的研究对这个问题有了一些初步的见解，Jin和Li计划在未来的实验中应对这一挑战。

这项研究的一些含义是显而易见的 - 比如在充电之前使用便携式电子设备的时间更长 - 但Jin也预见到更广泛的应用范围。

“如果我们能够最大限度地提高这些低成本和丰富的氟化铁锂离子电池材料的循环性能和效率，我们就可以推进用于电动汽车和微电网的大规模可再生能源存储技术，”他说。

Jin还认为，新型X射线成像技术将有助于研究其他技术上重要的固态转换，并有助于改进无机陶瓷和薄膜太阳能电池制备等工艺。

实验在Yu-chen Karen Chen-Wiegart，Feng Wang，Jun Wang及其在Beamline X8C，国家同步辐射光源，布鲁克海文国家实验室的同事的帮助下进行，并得到能源部基础能源科学的支持。以及威斯康星能源研究所的种子资助。