电池在当下已经变成了人类社会可持续发展不可或缺的一环，电池研究由是出现井喷之势，像极了春秋战国时代的百花齐放百家争鸣。推动电池科技进步的原动力之一是人们对于电池反应机理的持续钻研。而基础科学进步的基石之一是基于电子，光子，中子，质子等先进表征技术的进步，所以提笔写下这篇博文，算是对过去二十年电池表征的心得体会的一点小结

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可充电池作为能量储存和转化器件其核心是电子的存储与释放，为了达成化学匹配也就有了相应的离子参与，比如现代电池的代表锂离子。所以电池基础研究的核心就在于理解并掌握电子和锂离子的存贮以及传输，所以电池材料的电子结构非常重要，实际上锂离子电池历史上的第一个转折点，足够好教授以氧化物取代当时的硫化物，正是基于氧化物的电子结构适于提供更高的工作电压。简单来讲，电子结构就是化学键的构成方式，也就是在物质存在条件下，化学键的组成原子如何分享电子。话说电子也真是一个神奇的存在，虽然人类以原子核外的轨道（s，p，d，f）为电子的存在运行画了像，但这只是一种概率存在的统计描述。及至原子组成分子，成键的原子之间的电子共享变得更加复杂，分子轨道被描述成原子轨道通过杂化叠加的复杂存在形式。而作为电池核心材料的活性材料因为满足复杂电池运行情况下的稳定性，各种掺杂，包覆，复合，会引入更多的电子结构的变量。由是理解电子结构，尤其是电池运行情况下的电子结构也变得越发复杂起来。我过去二十年的经历都是跟光子电子纠缠在一起的。二十年前，在哈工大电化学毕业六七年后，有幸进入西安大略大学丁志峰老师课题组，课题方向是“量子点的制备及电致化学发光”。量子点是通过调制电子结构达到发光光谱的调制，电致化学发光是通过电化学注入导出电子达成光子的产生。四年辛苦换来发现了电化学转化碳纳米管制备高量子产率碳量子点，作为一种自上而下法制备碳量子点而被广为引用。读博期间在闲谈中得知隔壁实验室的岑俊江老师的同步辐射吸收谱是研究电子结构的利器。征得丁老师同意我变成了岑老师课题组的和带学生，由是走上了用光子研究物质电子结构这条路。要说电子光子真是剪不断，不过理一理结构还是清晰的。同步辐射光源是通过将电子加速到接近光速后以磁场偏转电子运行方向而在其轨迹的切线方向产生强大的光子流。产生的光子被分流到各个线站，进行各种光谱学，散射/衍射，或者成像研究。虽然种类纷繁但实质都是通过光子与物质中电子的相互作用，比如我一直使用的吸收谱就是通过激发核电子（所以元素敏感）至未占据轨道（所以化学敏感）“定量”研究包括电子自旋在内的结构。其他的如成像以及衍射散射，其核心物理依然是光子与电子的相互作用。同步辐射用来研究电池材料已经被广为接受，但大多数都集中在空间结构，成分，价态这样几个领域，对于电子结构关注度还是不够。回想我自己的第一篇同步辐射光吸收谱研究电池材料的文章就有幸跟斯坦福的电池大牛，纳米大牛合作，而且得到足够好教授的点拨，文章虽小却是从基础角度分析超快动力学电子结构本源的开创性文章。在那以后陆续的把触角伸到光谱成像因而变成若干领域第一个吃螃蟹的人，第一个拿PEEM来研究实际电池电极的表面电子结构，第一篇拿STXM研究碳包覆对电池动力学的影响，第一篇STXM+PEEM研究电池颗粒间的离子传递以及与电子结构的关系。这个表可以很长这里就不再赘述，不过想提醒自己电子结构还是应该关注。

光子研究电子结构固然重要，但其他表征比如电子显微镜在单原子尺度的空间分辨率，中子的穿透性以及对锂敏感性，研究通过质子化学环境的核磁技术，以及使用声子的超声波成像研究软包装电池里的电解液动态分布，都是电池研究不可或缺的利器。所以诸子百家，百家争鸣则必有百花齐放的胜景。

2023-06-20 于萨斯卡通

说明：附图是使用吸收谱成像（STXM）研究碳纳米管结构示意图。STXM的原理是通过分析一系列光子吸收图像（image stacks）解析电子结构空间变化的技术，就像图书馆里的书架，充满知识和智慧。