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李林森/禹習謙/劉宜晉NSR評述：同步加速器技術揭示鋰離子電池層狀氧化物正極的結構和化學演化

層狀過渡金屬氧化物 (LTMO) 是具有卓越電化學性能的主要正極候選材料，但在低成本、長壽命、高能量密度和安全性等目標方面仍存在艱巨的挑戰。

這是由于電池的內在復雜性，具有微觀結構、成分和化學異質性之間復雜的相互作用。同步加速器技術被確定為一套有效的方法，用于以非破壞性方式對晶格、電子和形態結構進行先進電池表征。

基于此，上海交通大學李林森研究員、中科院物理所禹習謙研究員及美國SLAC國家加速器實驗室劉宜晉研究員等人全面概述了基于同步加速器的 LTMO 電池正極材料研究的前沿發展。

在本文中，同步加速器技術在研究 LTMO 電池正極材料中的應用將從三個不同的角度進行回顧：晶格結構、電子結構和多尺度形態。此外，作者討論了電池運行時 LTMO 材料特性的復雜性和演變，并回顧了最近基于同步加速器的研究工作。

最后，作者對基于同步加速器的電池研究的未來方向提出了展望，涉及下一代X射線設備和先進的計算發展。

圖1. 同步加速器X射線與物質之間相互作用的示意圖

作者認為，該領域未來的研究挑戰在很大程度上與新型電池材料和系統日益復雜的問題有關，特別是電池材料的動態轉變，包括在傳統研究中經常被忽視的亞穩態相，對于新型電池材料設計可能很重要。

隨著對電池在極端條件下（例如超快速充電、冷/熱氣候和太空探索）運行的需求擴大，這種復雜性會進一步放大。同步加速器和自由電子激光器 (FEL) 設備的升級為該研究領域帶來了科學機遇，X射線亮度和亮度的增強可以促進具有前所未有的分辨率和靈敏度的X射線實驗，這對于研究下一代電池材料至關重要。

圖2. 基于同步加速器的LTMO正極材料相關分析

Structural and chemical evolution in layered oxide cathodes of lithium-ion batteries revealed by synchrotron techniques, National Science Review 2021. DOI: 10.1093/nsr/nwab146

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