本研究由Eira Tiberg North、Casper Skautvedt、Abilash K. Thiagarajan、Marco Di Michiel、Stefano Checchia、Alexey Y. Koposov* 和 David S. Wragg* 等人共同完成。主要作者来自挪威奥斯陆大学（University of Oslo）化学系材料科学与纳米技术中心，通讯作者David S. Wragg同时隶属于挪威能源技术研究所（Institute for Energy Technology）电池技术部。该研究成果于2025年9月15日发表在《ACS Energy Letters》期刊上（第10卷，第4930−4932页）。
该研究的学术背景根植于同步辐射（synchrotron radiation）技术在可充电电池领域的广泛应用。随着第四代同步辐射光源的日益普及，其极高的X射线通量为观测快速、低信号强度的过程提供了前所未有的机遇，尤其对于电池材料在工况条件下的原位表征而言。然而，这种高强度X射线源带来的“光束损伤”（beam damage）已不仅是有机物和生物材料的困扰，也成为无机材料研究中不可忽视的问题。已有研究指出，光束损伤具有很强的材料特异性，表现出非均质变化和剂量依赖机制，甚至可能导致对实验结果的曲解。尽管其重要性日益凸显，但对于这种损伤如何影响电池工况研究、其空间影响范围以及具体的物理化学机制，理解尚不充分。基于此，本研究旨在评估第四代高能同步辐射光束对锂离子电池（LIBs）石墨负极工况X射线衍射（operando XRD）测量的影响，并阐释其背后的作用机理。
在详细的工作流程中，研究者以石墨基电极作为模型体系，设计了一系列实验来揭示和剖析光束损伤效应。整个研究可以分解为四个核心步骤：首先是长时间定点工况照射实验。研究者利用欧洲同步辐射光源（ESRF）的ID15A光束线，在95 keV的高能X射线下，将石墨电极上的一个微小区域（光束光斑尺寸为30 × 18 μm²）连续照射了7.5小时，同时监测电池的整体电化学性能。其次是空间分辨的线扫描实验。在完成定点照射后，研究者沿着穿过该区域的一条1毫米直线进行了离位扫描，步长为0.02毫米，以获取不同位置的高分辨XRD图谱，从而绘制出照射区域周围的结构与物相分布图。第三是对收集到的衍射数据进行详细的物相分析，特别是对石墨的锂化阶段结构（如LiC₆、LiC₁₂和LiC₁₈）以及晶体性氟化锂（LiF）的含量进行定性和定量分析，并结合衍射图谱的背景信号变化进行研究。第四是采用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）对样品中的散射过程进行理论建模，以计算照射区域的剂量率及其空间分布，并将模拟结果与实验观察到的物相梯度进行比较。
实验流程中的一个关键发明或特色是，该研究并非采用常规的工况扫描模式，而是刻意制造了一个极端的“长时间单点照射”范例，以此来放大和凸显光束损伤效应，从而更清晰地观察其表现和影响范围。此外，将空间分辨率为微米级的线扫描XRD与蒙特卡洛剂量模拟相结合，是该研究剖析损伤空间传播机制的核心方法。
研究取得了一系列关键结果。在长时间定点照射实验中，尽管电池整体电化学性能显示正常，但被持续照射的30 × 18 μm²区域内的XRD图谱在整个充放电过程中竟毫无变化。这与在低剂量实验室仪器上观察到的石墨（002）峰随锂化/脱锂可逆位移的典型现象形成鲜明对比。这一结果只能被解释为：照射区域发生了完全且局部的电化学失活（deactivation）。随后进行的空间线扫描实验则揭示了一个更为复杂的图景。当光束远离工况照射区域（OIA）时，XRD图谱开始出现对应石墨不同锂化阶段的特征峰变化。在距OIA中心约0.10毫米处，主要物相为LiC₁₈和LiC₁₂；而移动至0.25毫米以外时，物相分布则以完全锂化态的LiC₆为主导，这与电化学测量中电池已达完全充电状态相吻合。这个清晰的浓度梯度表明，电化学抑制的范围并非严格限定于直接照射区域，而是形成了一个以OIA为中心、影响程度随距离增加而减弱的梯度区。
不仅如此，物相分析还发现，在OIA附近检测到了大量的LiF，其重量占比超过该区域所有晶体组分的20%，并且这一数值远远超过正常电池固体电解质界面膜（SEI）中通常所能观察到的量。同时，OIA附近的衍射图谱背景也略有升高，在远离约100微米后才恢复正常，这被归因于X射线诱导电解质分解产生的非晶态产物。这些结果共同指向一个事实：X射线直接导致了电解质的严重分解。然而，蒙特卡洛模拟给出了令人意外的洞察。模拟显示，几乎所有辐射剂量都沉积在尺寸为微米级的照射区域内，剂量率高达0.0732 mGy/s，但该剂量分布曲线与实验观察到的LiF和锂化程度变化的梯度范围并不匹配。这意味着，组分和结构变化的梯度现象“不能”由辐射损伤直接造成，而是反映了损伤的间接产物和次级效应。
基于上述结果，研究者对该现象进行了合理化阐释，并最终导出了结论。主要的损伤机制被归结为辐射诱导电离（radiation induced ionization）及由此引发的电解质分解。在95 keV的高能X射线下，主导的相互作用是康普顿散射（Compton scattering），这一过程会从电极和电解质材料中击出电子。每个康普顿反冲电子能产生数千个二次电子，从而在被照射区域内构成显著的电离环境，尽管其寿命很短。这种强烈的电离效应在照射区域形成了一个静电屏障，中断了锂离子嵌入（Li⁺ intercalation）所需的电子-离子共存条件，从而瞬间停止了局部的电化学循环。LiF的结晶需要长达数小时的时间，它被视作电离导致电解质分解的直接证据，而非电化学停止的原因。而观测到的、辐射剂量所无法解释的梯度的出现，其机制是：电离产生的电解质分解产物从照射区域向外输送，并伴随着照射区域周围非晶态SEI的逐渐增厚，从而抑制了更大范围内的电化学活性。当光束移开后，静电屏障随之消失，电解液中的锂离子得以重新分布以平衡局部电荷，这就解释了为何在远离OIA的区域观察到了锂化程度的梯度恢复。
本研究的意义与价值体现在科学认知与实验方法论两个层面。在科学上，该研究清晰地揭示了在第四代同步辐射光源极端通量下，X射线不仅仅是观察电池的“探针”，更可能成为一种通过电离效应“关闭”局部电化学反应的强扰动源，并证实损伤效应可通过液态电解质和电离作用扩散至直接照射区域之外。在应用价值上，这对采用高亮度同步辐射进行电池工况研究的实验设计提出了严肃警示。研究者特别指出，即使对于高X射线能量下吸收率低的材料（如石墨），光束损伤效应也绝不可忽视。基于Jousseaume等人提出的剂量阈值，该研究的剂量率意味着仅需数秒曝光就可能导致微观结构改变。因此，论文提出了关键的实践指导：可通过在工况实验中更换样品照射区域、采用间歇曝光和/或选择X射线相互作用最小的能量等策略来规避此类效应，但绝不能对其置之不理。
本研究的亮点在于其精巧的实验设计和对异常现象机制的深刻揭示。主要亮点包括：第一，首次通过空间分辨的方式，定量化地展示了同步辐射光束损伤在石墨电极中造成的锂化程度梯度，并与理论剂量分布进行比较，从而将直接的辐射损伤与间接的化学/物理扩散效应区分开来；第二，明确了电离作用是导致电化学瞬间停滞的主要原因，而电解质分解产物（如晶体LiF）的大量生成则是其后果和扩散标记物，澄清了机制上的因果关系；第三，提供了一个极端的高剂量范例，其结论可作为通用准则，提醒所有研究者在设计和解释高亮度同步辐射电池工况实验时必须考量光束损伤的时空影响，这在第四代光源大规模应用的背景下具有极其重要的现实意义和参考价值。