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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

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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(fā)。然而，通過這些措施并不能解決不可恢復的容量損失。
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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(tǒng)闡述了復合LiNixMnyCozO2 (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。
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
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(fā)局部阻抗和粒子失活。
這意味著設計在寬溫度范圍內(nèi)使用的電池時，除了開發(fā)性能穩(wěn)定的電解質，還需要開發(fā)在電池在不同溫度之間切換時結構和形態(tài)堅固的電極組件。
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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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