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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(zhàn)。

這是由于電池的內(nèi)在復雜性，具有微觀結構、成分和化學異質(zhì)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(tài)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(fā)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(tài)。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(fā)展。

圖1. 同步加速器X射線與物質(zhì)之間相互作用的示意圖

作者認為，該領域未來的研究挑戰(zhàn)在很大程度上與新型電池材料和系統(tǒng)日益復雜的問題有關，特別是電池材料的動態(tài)轉變，包括在傳統(tǒng)研究中經(jīng)常被忽視的亞穩(wěn)態(tài)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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