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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(xué)力學(xué)

在各種應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛采用 LIB 的關(guān)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(dòng)了電動(dòng)汽車中流行的電池預(yù)熱方法以及新電解液的開發(fā)。然而，通過(guò)這些措施并不能解決不可恢復(fù)的容量損失。

在此，歐洲同步輻射裝置（ESRF）的Peter Cloetens，普渡大學(xué)趙克杰教授，弗吉尼亞理工大學(xué)林鋒教授及SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室劉宜晉研究員等人系統(tǒng)闡述了復(fù)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(xué)機(jī)械行為。

作者通過(guò)利用一套先進(jìn)的表征技術(shù)，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(jié)構(gòu) (XANES)、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu) (EXAFS)、全場(chǎng)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(jié)構(gòu)變形和機(jī)械損傷。

圖1. 電池在不同電流速率下暴露于低溫環(huán)境前后的容量保持率

作者觀察到在暴露于低溫然后恢復(fù)到室溫后，可逆和各向異性的晶格變形會(huì)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(fù)合物的變形在低溫下不匹配導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體，從而不可逆轉(zhuǎn)地引發(fā)局部阻抗和粒子失活。

這意味著設(shè)計(jì)在寬溫度范圍內(nèi)使用的電池時(shí)，除了開發(fā)性能穩(wěn)定的電解質(zhì)，還需要開發(fā)在電池在不同溫度之間切換時(shí)結(jié)構(gòu)和形態(tài)堅(jiān)固的電極組件。

圖2. NMC正極暴露在低溫條件下的損傷機(jī)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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