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趙克杰/林鋒/劉宜晉等AEM: 同步加速器立功！揭示低溫下電池正極中的多相多尺度化學力學

在各種應用場景中廣泛采用 LIB 的關鍵是：了解鋰離子電池 (LIB) 在極端條件下（例如低溫）的行為。

LIB 在低溫下性能不佳通常是由于電解液中鋰離子傳輸較差，這推動了電動汽車中流行的電池預熱方法以及新電解液的開發。然而，通過這些措施并不能解決不可恢復的容量損失。

在此，歐洲同步輻射裝置（ESRF）的Peter Cloetens，普渡大學趙克杰教授，弗吉尼亞理工大學林鋒教授及SLAC國家加速器實驗室劉宜晉研究員等人系統闡述了復合LiNi_xMn_yCo_zO₂ (NMC, x+y+z=1)正極在極低溫度下的多相、多尺度化學機械行為。

作者通過利用一套先進的表征技術，包括基于同步加速器的X射線粉末衍射 (XRD)、X射線吸收近邊結構 (XANES)、擴展X射線吸收精細結構 (EXAFS)、全場透射X射線顯微鏡 (TXM) 和X射線相襯納米全息斷層掃描研究了NMC正極在低溫條件下的結構變形和機械損傷。

圖1. 電池在不同電流速率下暴露于低溫環境前后的容量保持率

作者觀察到在暴露于低溫然后恢復到室溫后，可逆和各向異性的晶格變形會造成活性正極顆粒的不可逆開裂。在電極尺度上，不同正極復合物的變形在低溫下不匹配導致結構解體，從而不可逆轉地引發局部阻抗和粒子失活。

這意味著設計在寬溫度范圍內使用的電池時，除了開發性能穩定的電解質，還需要開發在電池在不同溫度之間切換時結構和形態堅固的電極組件。

圖2. NMC正極暴露在低溫條件下的損傷機制示意圖

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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