同步辐射原位SAXS及其联用表征技术解读！

SAXS属于弹性散射技术范畴，其中 X 射线光子在散射后不会发生能量损失。与XAFS相比，SAXS 可探测更大长度尺度的结构，范围从 1 纳米到几百纳米。SAXS 在表征结构形态（尺寸和形状）方面尤其强大，尤其是在纳米尺度上。

图4 USAXS 仪器示意图

图6 GISAXS装置图

SAXS 可用于研究材料的纳米结构，如粒度、分形、空隙和取向。用于 SAXS 实验的样品可以是固体或液体，样品的厚度应考虑其对 X 射线的吸收率来确定。

通常使用二维 (2D) 探测器（如 Pilatus、Eiger 或 Mar165 CCD）来记录散射图案。光电二极管探测器耦合在光束阻挡器中，用于记录透射 X 射线束的强度。真空管的长度，即样品到探测器的距离，可以根据可测量的最大粒度(d_max)进行调整，以满足待测试样品的需要，可通过公式d_max=2π/q进行评估。SAXS技术具有以下优缺点。

优点

1️⃣ 适用性广泛：SAXS可用于研究各种材料的纳米结构，包括固体、粉末、凝胶或液体分散体，无论是无定形、结晶或半结晶状态。

2️⃣无损检测：作为一种整体式技术，SAXS能够探测大样品量的平均结构特征，且对样品不需要进行复杂的预处理。

3️⃣原位测量能力：SAXS技术能够进行原位实验，观测电池工作过程中纳米结构的演变。

4️⃣ 提供丰富的结构信息：通过评估散射图案，可以获得关于材料结构和属性的广泛信息，如纳米颗粒粒度分布、颗粒形状、孔径分布等。

5️⃣高灵敏度和分辨率：现代SAXS设备使用高灵敏度的探测器，能够检测到微弱的散射信号，提供高分辨率的数据。

缺点

1️⃣无法提供原子级结构信息：SAXS主要用于研究纳米级别的结构，无法提供原子层面的结构细节。

2️⃣散射图样限制：颗粒和空隙的散射图样相同，导致无法区分这两种结构。

3️⃣对探测器动态范围要求高：需要高动态范围的探测器来准确记录不同强度的散射信号。

4️⃣ 数据分析复杂：SAXS数据需要通过复杂的数学模型和计算进行分析，对初学者来说门槛较高。

5️⃣干扰影响处理困难：在数据分析过程中，干扰影响不易处理，需要专业的知识和技能。

6️⃣数据分析方法不系统：目前缺乏系统化的数据分析方法，结果解释依赖于研究者的经验和所选用模型的准确性。

原位SAXS技术可以用于研究材料的孔隙结构和离子传输特性

原位SAXS技术可以揭示电解质中离子对的溶剂化行为和聚集体的形成，以及它们随浓度和温度变化的动态变化

原位SAXS技术研究聚合物电解质中嵌段共聚物的自组装纳米结构及其随成分和温度变化的演变

图11 SAXS技术揭示电解质中纳米结构的演变过程

事实上，在电极材料的电化学反应和某些动态过程中，功能材料的结构可能是多层次的，所施加的电化学因素也能诱导材料在多层次结构内发生转变。通过追踪和捕捉反应过程中亚稳态相和中间体的有用信息，可以提高电池材料的可控合成和性能调节。

显然，单一的结构表征技术已不能满足日益增长的电池研究的需求。毫无疑问，利用原位联用技术同时获取动态过程的多层次信息是迫切而必要的。原位XAFS、SAXS和XRD中的两种或三种技术的联用可以检测电池反应过程中多尺度的结构变化，能够覆盖原子/分子（局域配位结构）、纳米尺度（纳米颗粒结构）和微米尺度（晶相结构）维度。

WAXS与SAXS联用技术

WAXS和SAXS技术，作为SR X射线散射的两种方法，能够分别揭示原子长周期和纳米级别的结构信息。通过原位联用WAXS/SAXS技术，可以全面捕捉电极材料在电化学充放电过程中的结构演变。尽管如此，实现这一技术的关键挑战在于必须设计出专用的电池装置，以适应WAXS/SAXS的联用测试需求。因此，开发一种既适用于原位SR测试又能满足实验要求的电池装置，对于推动电池材料研究具有至关重要的作用。

Hatakeyama 等人^[5]设计了一个锂空气电池的双电极电池，用于原位 WAXS/SAXS 测试。测试电池的主要材料是不锈钢。该电池由X射线路径、(b) O ₂管接头、(c) X射线窗口、(d) 弹簧、(e) 重物、(f) 气体扩散纸、(g) 电极、(h)导环、(i) 隔膜和(j) 锂箔组成。

图13 原位 WAXS/SAXS技术用于研究电池材料的纳米级结构演变

GISAXS/GIXD技术

SAXS/XAS技术

USAXS/SAXS/WAXS技术