赵克杰/林锋/刘宜晋等AEM: 同步加速器立功！揭示低温下电池正极中的多相多尺度化学力学

在各种应用场景中广泛采用 LIB 的关键是：了解锂离子电池 (LIB) 在极端条件下（例如低温）的行为。

LIB 在低温下性能不佳通常是由于电解液中锂离子传输较差，这推动了电动汽车中流行的电池预热方法以及新电解液的开发。然而，通过这些措施并不能解决不可恢复的容量损失。

在此，欧洲同步辐射装置（ESRF）的Peter Cloetens，普渡大学赵克杰教授，弗吉尼亚理工大学林锋教授及SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员等人系统阐述了复合LiNi_xMn_yCo_zO₂ (NMC, x+y+z=1)正极在极低温度下的多相、多尺度化学机械行为。

作者通过利用一套先进的表征技术，包括基于同步加速器的X射线粉末衍射 (XRD)、X射线吸收近边结构 (XANES)、扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS)、全场透射X射线显微镜 (TXM) 和X射线相衬纳米全息断层扫描研究了NMC正极在低温条件下的结构变形和机械损伤。

图1. 电池在不同电流速率下暴露于低温环境前后的容量保持率

作者观察到在暴露于低温然后恢复到室温后，可逆和各向异性的晶格变形会造成活性正极颗粒的不可逆开裂。在电极尺度上，不同正极复合物的变形在低温下不匹配导致结构解体，从而不可逆转地引发局部阻抗和粒子失活。

这意味着设计在宽温度范围内使用的电池时，除了开发性能稳定的电解质，还需要开发在电池在不同温度之间切换时结构和形态坚固的电极组件。

图2. NMC正极暴露在低温条件下的损伤机制示意图

Multiphase, Multiscale Chemomechanics at Extreme Low Temperatures: Battery Electrodes for Operation in a Wide Temperature Range, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102122

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赵克杰/林锋/刘宜晋等AEM: 同步加速器立功！揭示低温下电池正极中的多相多尺度化学力学

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