一个国际研究小组已经开发出一种新的高分辨率x射线康普顿散射方法，以可视化在储能材料中氧化还原轨道的扰动。新的光谱描述符将允许在智能手机、笔记本电脑和电动汽车上制造高性能电池。
科学家们使用高分辨率的x射线康普顿散射图谱来描绘氧化还原轨道，因为它可以提供精确的动量空间图像。用Li含量测量康普顿的资料，可以绘制出锂离子氧化还原氧化(氧化还原)轨道的演变过程。该方法有助于揭示驱动电池的氧化还原反应机理，为提高材料性能打开光谱通道。
轨道摄像机的准备:FePO4的康普顿分析
康普顿谱与电子动量密度(EMD)的二维积分有关。这些是通过测量康普顿散射光谱沿x射线散射矢量的不同方向而得到的，并具有与电荷密度相同的对称性。
研究人员选择了锂铁磷酸盐(LFP)，这是一种橄榄家族成员，作为一种模型材料，可以作为一种高性能的阴极材料及其复杂的退料过程来进行光谱测量。这是两个阶段:完全锂化，LFP和delithiated,FePO4。
实验康普顿轮廓差异(ΔJ)delithiated化合物(FePO4)与理论康普顿概要文件。基于退变过程的三种不同模型计算理论剖面:刚性带模型(同LFP)，刚性FeO6八面体和松弛FeO6八面体。
实验ΔJ匹配放松FeO6模型,反映出的氧化价Fe3 + Fe-O债券和修改。这种扭曲可以通过将松弛的八面体的康普顿轮廓从刚性上减去它，从而得到扭曲的轮廓，D(p)来突出。
“拍照”的redox轨道
从理论上计算LFP和FePO4的二维EMD差异，研究人员绘制了3个不同模型中feo - o键畸变引起的三维轨道的修正。氧化还原轨道的动量图表明，材料的短程结构的扰动可以在动量空间的不同区域产生不同状态的状态。在低动量下，松弛的八面体模型二维EMD表现出最具局限性，突出了八面体放松对谵妄的重要性。
对潜在转移的评价
失真概要,D(p),还提供了氧化还原电位的损失或潜在信息转变,ΔV,由结构摄动引起的。这些畸变剖面D(p)可以作为描述电压变化的描述符，从而提高阴极的能量密度。放松的八面体模型展览一个潜在转变?V = -0.62 V与刚性模型。
对Mn、Co和Ni取代LFPs的变形谱也进行了推导。Mn的引入增加了这个潜在的改变，而Co和Ni可以减少它。结果表明，铁取代基的应变和八面体畸变能提高纯LFP的能量密度。
康普顿散射:解码潜在位移的机制
这项工作由来自美国、日本、比利时和波兰的国际研究小组进行。这一努力由来自东北大学(Boston)的著名物理学教授阿伦·班西尔(Arun Bansil)领导，他的团队成员是Hasnain Hafiz和Bernardo Barbiellini。康普顿散射实验是在日本由Yoshiharu Sakurai(JASRRI)领导的、由Kosuke Suzuki、Yuki Orikasa、Masayoshi Itou、Kentaro Yamamoto、Ryota Yamada、Yoshiharu Uchimoto和Hiroshi Sakurai组成的“spring -8 synchrotron光源”中进行的。其他参与研究的科学家还有比利时的文森特·卡尔莱瓦特(Vincent Callewaert)和波兰的Staszek Kaprzyk(波兰)。这项研究发表在8月23日的《科学进展》杂志上。
科学家们已经开发出了综合的理论和实验的光谱描述符，它们提供了一种方法来解释锂离子的作用机理，以及电池的潜在变化。康普顿和变形剖面提供了一种定量的方法来观察过渡金属和氧的电子轨道间的晶体结构的改变所引起的动量空间的变化。
新开发的光谱方法使我们能够对工作电池材料的结构变形、势能变化和金属替代的关系进行分子水平的理解。因此，以这种新颖的方法，研究人员对材料科学共同体做出了巨大贡献，其中有许多工具可以用来推导工作电池材料的结构-活动关系，以提高它们的性能。他们的工作证明了来自光子与材料相互作用的数据和巧妙的数学方法来解释和处理这些数据，可以让我们看到人类眼中的盲目性:电子轨道。
——文章发布于2017年11月7日
