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林鋒教授、趙克杰、劉宜晉ACS Energy Lett.觀點：以偏概全？電池材料常規表征的陷阱及應對策略

電極的化學機械擊穿會干擾電池的穩定運行且會在復合電極中不均勻地分布，這種機械損傷的復雜性是由氧化還原異質性引起的，這也取決于局部化學環境。鑒于電極中電化學活性和機械損傷的異質性，有必要提出一個基本問題：如何計算電池材料常規表征中局部的統計變化，從而避免陷阱和偏見信息？

圖1. 鋰離子電池正極的多相反應

在此，美國弗吉尼亞理工大學林鋒教授、普渡大學趙克杰教授及SLAC國家加速器實驗室劉宜晉研究員提出并分析了電池表征中的問題并給出了應對策略。作者指出，表征對象的不均勻性給結果可靠性帶來了巨大挑戰。

例如，若只觀察一顆或幾顆顆粒，很可能得出截然不同的結論：電極結構完好或者電極結構完全破壞。作者以基于聚焦離子束 (FIB) 制備的橫截面樣品為例說明并展示了NMC電極的橫截面，可以觀察到同一電極的不同橫截面之間存在顯著差異。

作者強調，在同一電極內，如果沒有正確解決統計顯著性問題，可能會根據樣品表征中的不同實驗方案得出不同的結論。此外，局部荷電狀態（SOC）異質性也會影響化學機械穩定性，因此具有高空間分辨率的表征技術需要篩選粒子中的許多局部納米域以獲得統計代表性。

圖2. 結構良好的NMC復合正極中的異質顆粒損傷

總之，作者注意到當前的文獻表征沒有充分考慮多尺度異質性。通過這個觀點，作者希望引起注意，如果不進行系統、仔細的表征，可能會得出有偏見的結論。作者也給出了以下應對策略：

（1）在不同的循環次數和SOC下進行粒子破裂表征，以了解粒子破裂的啟動和傳播；

（2）在實際相關的樣品環境（如軟包電池）中進行原位測量；

（3）將化學機械測量與電分析工具（如電化學阻抗譜）相結合；

（4）使用高空間分辨率工具時盡可能多地研究粒子和局部域；

（5）原位表征并不總是更出色，結合原位和非原位測量可以提供更完整的表征；

（6）具有大塊微觀結構敏感性的3D斷層掃描重建可以比成像技術提供更多的信息；

（7）盡可能獨立地進行實驗和建模研究，切勿進行人為參數調整來提高一致性；

（8）將機械表征與化學分析相結合，以了解力學與化學之間的相互作用。

圖3. NMC顆粒的表面和本體氧化還原異質性

Heterogeneous Reaction Activities and Statistical Characteristics of Particle Cracking in Battery Electrodes, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02135

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