​上交EES：多尺度相关成像揭示快速充电电池中的顺序性和不均匀性退化

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​上交EES：多尺度相关成像揭示快速充电电池中的顺序性和不均匀性退化
快充锂离子电池为解决电动汽车（EV）的续航里程焦虑提供了一种前景广阔的解决方案，但其在使用寿命和安全性面临挑战。对此，一个被广泛讨论的问题是抑制石墨负极侧的析锂。因此，为全面理解快充条件下复杂的化学-结构-力学相互作用，亟需开展跨尺度、多模态的表征。
​上交EES：多尺度相关成像揭示快速充电电池中的顺序性和不均匀性退化
在此，上海交通大学李林森团队开发了一种多模态 SEM-Raman-NanoSIMs 技术，以探究快充电池内部复杂的化学-结构-机械相互耦合作用。作者首次从电极尺度的多颗粒分析中，获得了对电极反应形态学变化-锂元素分布-晶格结构演变的多模态理解。
通过系统的多模态表征研究发现，快充电池系统的退化是一个类似“雪球效应”的反应机制，电解质消耗是第一张倒下的多米诺骨牌（即使容量衰减仍然微不足道），它会引发一系列石墨负极失效，包括析锂和副产物累积。随后，石墨侧的副产物会粘接在隔膜表面并导致隔膜的堵孔。因此，这些复杂的电-化学-机械相互作用会引发自我放大的“恶性循环”，最后导致电池内部电极多种严重形变甚至破裂，成为电池安全使用的隐患。
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图1. 退化正极的多模态表征
总之，该工作通过多尺度关联成像技术的研究，揭示了快充电池性能加速下降的原因是负极侧电解液的快速消耗引发的析锂和副产物沉积等问题。快充电池内部的复杂电化学-机械相互作用最终可能导致电极显著变形甚至破裂，成为潜在的安全隐患。因此，该研究提供了直接的策略来延长快充电池的循环寿命，包括略微增加液态电解液的量、开发专门设计的电解液添加剂或对电极进行钝化以减缓电解液消耗。 
从方法论上看，该工作为锂电池系统反应均匀性和具体失效机制分析，提供了可借鉴的重要表征与分析方法学支持。同时也为关联锂电池基础理论科学研究与工程应用科学研究架起了切实可行的重要桥梁。
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图2. 热安全性测试结果
Multiscale Correlative Imaging Reveals Sequential and Heterogeneous Degradations in Fast-Charging Batteries, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d4ee01497a

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