原位同步辐射测试是指在材料真实服役或反应过程中，利用同步辐射X射线实时追踪其晶体结构、局域配位、元素价态、微观形貌和应力演变的先进表征手段。相比常规实验室XRD、XPS、SEM等手段，它能在充放电、加热、加压、气氛变化、力学加载等动态条件下，捕捉材料从原子尺度到微米尺度的连续变化过程，因此被广泛用于新能源电池、催化材料、金属结构材料、半导体薄膜、高分子材料和环境功能材料研究。
随着高能同步辐射光源(HEPS)进入试运行并启动课题征集，国内同步辐射原位测试资源进一步丰富，企业、高校和研发机构对原位XRD、原位XAS、原位成像和原位散射测试的需求也在快速上升。
一、原位同步辐射为什么比普通表征更有价值
传统表征通常只能给出材料在“反应前”和“反应后”的静态信息，难以判断性能变化究竟发生在哪一步、由哪种结构或价态演变引起。原位同步辐射测试的优势在于：
动态观测：在充放电、升温、加压或气氛变化过程中连续采集数据，捕捉中间相和瞬态结构。
高穿透性：可透过电池壳体、密封腔室、金属窗口等，实现非破坏性内部观测。
高亮度与高时间分辨率：同步辐射光通量远高于实验室X射线源，可实现毫秒至秒级快速采集。
元素选择性：XAS可针对特定元素分析价态、配位环境和局部结构变化。
多模态联用：XRD、XAS、SAXS/WAXS、PDF、CT/TXM、XRF等可联合使用，构建更完整的机制链条。
二、常用原位同步辐射表征模式
1. 原位XRD：追踪晶体结构与相变
原位同步辐射XRD适合研究电极材料在充放电过程中的相变路径、晶格膨胀/收缩、晶粒尺寸变化、微应变演化和物相含量变化。例如，在富镍三元正极材料研究中，原位XRD可捕捉H1→H2→H3相变过程，并关联晶格收缩与颗粒微裂纹萌生。
典型输出包括：
物相组成随时间/电压变化
晶格参数演变曲线
相含量变化
晶粒尺寸与微应变
结构不可逆转变识别
2. 原位XAS：解析价态、配位与局域结构
X射线吸收谱包括XANES和EXAFS两部分。XANES用于判断元素价态和电子结构变化，EXAFS用于获取配位原子种类、配位数、键长和无序度等信息。
在电池材料中，原位XAS可用于：
过渡金属Ni、Co、Mn、Fe等的氧化还原过程
阴离子氧氧化还原行为
固态电解质界面反应
催化剂活性中心价态变化
单原子催化剂配位环境演变
3. 原位PDF：捕捉短程有序与非晶结构
对分布函数分析适合研究非晶、纳米晶、局域畸变和短程有序结构。对于富锂锰基、高熵材料、固态电解质和催化材料，PDF能够补充传统XRD无法解析的局域结构信息。
4. 原位SAXS/WAXS：观察纳米结构演变
小角/广角X射线散射可用于研究纳米颗粒生长、孔结构变化、聚合物结晶、相分离、薄膜结构演化等过程。
5. 原位CT/TXM：三维形貌与化学态成像
同步辐射X射线显微成像和断层扫描可无损观察颗粒裂纹、锂枝晶、电极脱层、孔隙演变和元素价态空间分布。例如，原位XRT曾捕捉到锂枝晶穿透隔膜引发局部短路的过程，为电池安全失效分析提供了直接证据。
6. 原位XRF：元素迁移与分布分析
同步辐射X射线荧光可用于元素分布成像和痕量元素追踪，适合研究过渡金属溶出、元素偏析、界面反应产物和催化剂元素迁移。
三、典型应用场景
1. 锂电与固态电池
正负极材料充放电机理
富锂锰基、高镍三元、磷酸锰铁锂等结构演变
SEI/CEI形成与界面副反应
固态电解质/电极界面稳定性
锂枝晶、微裂纹、容量衰减与热失控机制
2. 催化与能源材料
催化剂活性相原位形成
反应条件下表面重构
CO₂加氢、水分解、氧还原等反应机理
单原子催化剂配位稳定性
3. 金属与结构材料
增材制造熔池凝固过程
相变、再结晶与织构演化
拉伸/压缩过程中的晶格应变
残余应力与损伤演化
4. 高分子与薄膜材料
聚合物结晶与取向
薄膜生长与界面扩散
拉伸、加热条件下的多尺度结构演变
5. 半导体与功能材料
薄膜成分与结构演化
纳米结构有序度变化
界面反应与元素迁移
极端条件下材料稳定性评估