李林森/禹习谦/刘宜晋NSR评述：同步加速器技术揭示锂离子电池层状氧化物正极的结构和化学演化

层状过渡金属氧化物 (LTMO) 是具有卓越电化学性能的主要正极候选材料，但在低成本、长寿命、高能量密度和安全性等目标方面仍存在艰巨的挑战。

这是由于电池的内在复杂性，具有微观结构、成分和化学异质性之间复杂的相互作用。同步加速器技术被确定为一套有效的方法，用于以非破坏性方式对晶格、电子和形态结构进行先进电池表征。

基于此，上海交通大学李林森研究员、中科院物理所禹习谦研究员及美国SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员等人全面概述了基于同步加速器的 LTMO 电池正极材料研究的前沿发展。

在本文中，同步加速器技术在研究 LTMO 电池正极材料中的应用将从三个不同的角度进行回顾：晶格结构、电子结构和多尺度形态。此外，作者讨论了电池运行时 LTMO 材料特性的复杂性和演变，并回顾了最近基于同步加速器的研究工作。

最后，作者对基于同步加速器的电池研究的未来方向提出了展望，涉及下一代X射线设备和先进的计算发展。

图1. 同步加速器X射线与物质之间相互作用的示意图

作者认为，该领域未来的研究挑战在很大程度上与新型电池材料和系统日益复杂的问题有关，特别是电池材料的动态转变，包括在传统研究中经常被忽视的亚稳态相，对于新型电池材料设计可能很重要。

随着对电池在极端条件下（例如超快速充电、冷/热气候和太空探索）运行的需求扩大，这种复杂性会进一步放大。同步加速器和自由电子激光器 (FEL) 设备的升级为该研究领域带来了科学机遇，X射线亮度和亮度的增强可以促进具有前所未有的分辨率和灵敏度的X射线实验，这对于研究下一代电池材料至关重要。

图2. 基于同步加速器的LTMO正极材料相关分析

Structural and chemical evolution in layered oxide cathodes of lithium-ion batteries revealed by synchrotron techniques, National Science Review 2021. DOI: 10.1093/nsr/nwab146

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李林森/禹习谦/刘宜晋NSR评述：同步加速器技术揭示锂离子电池层状氧化物正极的结构和化学演化

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