鋰電池的容量衰減、循環(huán)壽命縮短乃至熱失控，本質(zhì)上源于電極與電解質(zhì)材料在充放電循環(huán)中原子排列與晶格結(jié)構(gòu)的動態(tài)劣化。傳統(tǒng)離線 X 射線衍射（XRD）僅能獲取循環(huán)前后的 “靜態(tài)結(jié)構(gòu)快照”，無法捕捉原子級別的動態(tài)演化過程，難以定位失效的根本誘因。而原位 XRD 技術(shù)通過在電池工作狀態(tài)下實時追蹤晶體結(jié)構(gòu)變化，從原子尺度解析 Li?嵌入 / 脫嵌、物相轉(zhuǎn)化、晶格畸變等關(guān)鍵過程，精準鎖定導(dǎo)致失效的 “結(jié)構(gòu)元兇”，為鋰電材料優(yōu)化與電池性能提升提供了核心科學(xué)依據(jù)。
一、技術(shù)基礎(chǔ)：讓 “原子運動” 可視化
原位 XRD 的核心價值在于 “在真實工況下觀察原子排列”，其技術(shù)實現(xiàn)依賴三大關(guān)鍵模塊的協(xié)同，確保從信號采集到結(jié)構(gòu)解析的原子級精度：
1. 原位電池設(shè)計：模擬真實工作環(huán)境
為實現(xiàn) “充放電與結(jié)構(gòu)檢測同步”，需定制專用原位電池 —— 外殼采用 X 射線高穿透性的 Be 窗或 Kapton 膜，既保證電解液密封不泄漏，又讓 X 射線能穿透并作用于電極材料；內(nèi)部電極采用薄層設(shè)計（活性材料厚度 < 50μm），減少信號疊加，同時預(yù)留 Li?傳輸通道，模擬實際電池的離子遷移過程。部分原位電池還集成溫度、電壓傳感器，可同步記錄環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)的影響，如高溫下正極材料的熱劣化。
2. 高分辨率光源與探測：捕捉原子級變化
相比實驗室常規(guī) X 射線源，同步輻射光源（如上海光源 SSRF、北京光源 BSRF）具有高亮度、高準直性的優(yōu)勢，可捕捉 0.01nm 級的晶格參數(shù)變化 —— 這相當于原子間距的細微波動（如 Li?嵌入石墨時，晶格層間距從 0.335nm 增至 0.370nm 的變化）。搭配半導(dǎo)體陣列探測器，信號采集時間分辨率可低至毫秒級，能追蹤快速充放電下的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)變化（如倍率循環(huán)中 Li?脫嵌導(dǎo)致的晶格瞬時膨脹）。
3. 數(shù)據(jù)解析：從衍射峰到原子結(jié)構(gòu)
XRD 圖譜的 “峰位、強度、半高寬” 直接對應(yīng)原子排列信息：峰位偏移反映晶格參數(shù)變化（如峰向高角度偏移意味著晶格收縮）；峰強度變化代表物相含量增減（如新峰出現(xiàn)表示生成失效相關(guān)新相）；峰寬增加則指示晶格畸變或晶粒細化（如循環(huán)后峰寬變大，說明材料結(jié)構(gòu)無序度提升）。通過專用軟件（如 MAUD、FullProf）擬合分析，可將衍射信號轉(zhuǎn)化為原子級的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立 “結(jié)構(gòu)變化 - 電池性能” 的定量關(guān)聯(lián)。
二、核心應(yīng)用：鎖定鋰電失效的原子級誘因
鋰電池失效的關(guān)鍵區(qū)域集中在正極、負極與電極 - 電解質(zhì)界面，原位 XRD 通過解析這些區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)演化，精準揭示失效機理。
1. 正極材料：破解層狀結(jié)構(gòu)坍塌與容量衰減
正極是 Li?儲存與釋放的核心，其層狀結(jié)構(gòu)（如 LiCoO?、NCM 系列）的穩(wěn)定性直接決定容量壽命。以高鎳三元正極 NCM811（LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?）為例，傳統(tǒng)方法僅知其循環(huán)后容量下降，卻無法明確結(jié)構(gòu)劣化路徑；而原位 XRD 觀察到：
首次充電時，Li?脫嵌導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù) c（層間距離）從 1.42nm 收縮至 1.38nm，衍射峰（003）向高角度偏移，這是正常的結(jié)構(gòu)適應(yīng)過程；
循環(huán) 50 次后，（003）峰強度顯著降低，同時出現(xiàn)巖鹽相（NiO 型結(jié)構(gòu)）的特征峰（2θ≈43.3°）—— 這是因為 Ni2?占據(jù) Li?空位（即 “Li/Ni 混排”），破壞層狀 Li?傳輸通道，導(dǎo)致 Li?無法有效嵌入，容量衰減率從 5% 飆升至 25%；
當電壓超過 4.5V 時，（104）峰分裂為兩個子峰，表明晶格發(fā)生不可逆畸變，進一步加速結(jié)構(gòu)坍塌。
基于此，研究人員通過 Al、Mg 摻雜抑制 Li/Ni 混排，將 NCM811 的循環(huán)壽命提升 3 倍，驗證了原位 XRD 的指導(dǎo)價值。
2. 負極材料：解析體積膨脹與活性材料脫落
負極（如石墨、硅基材料）的失效多源于 Li?嵌入 / 脫嵌引發(fā)的體積變化與晶格破裂。以硅基負極（理論容量 4200mAh/g）為例，原位 XRD 捕捉到其致命缺陷：
首次嵌鋰時，晶體硅（c-Si）的特征峰（2θ≈28.4°）強度逐漸減弱，直至完全消失，同時出現(xiàn)非晶硅（a-Si）的彌散峰 —— 這是因為 Si 與 Li?反應(yīng)生成 Li?.?Si，導(dǎo)致體積膨脹 300%，晶格結(jié)構(gòu)從有序變?yōu)闊o序；
脫鋰過程中，a-Si 的彌散峰無法恢復(fù)為 c-Si 的尖銳峰，證明晶格破裂不可逆；循環(huán) 10 次后，部分區(qū)域出現(xiàn) Li?SiO?的特征峰（2θ≈29.8°）—— 這是硅與電解液反應(yīng)生成的惰性產(chǎn)物，覆蓋在電極表面，阻礙 Li?傳輸，最終導(dǎo)致容量保持率僅 30%。
據(jù)此，研究人員設(shè)計 “納米硅 - 碳復(fù)合結(jié)構(gòu)”，利用碳層緩沖體積膨脹，通過原位 XRD 驗證發(fā)現(xiàn)：復(fù)合結(jié)構(gòu)的晶格膨脹率降至 50%，a-Si 向 c-Si 的可逆轉(zhuǎn)化比例提升至 60%，容量保持率顯著改善。
3. 界面失效：追蹤 SEI 膜的動態(tài)演化
電極 - 電解質(zhì)界面的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜是 Li?傳輸?shù)?“橋梁”，其成分與結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定會直接導(dǎo)致阻抗升高。原位 XRD 雖無法直接觀察納米級 SEI 膜，但可通過追蹤界面反應(yīng)產(chǎn)物的物相變化間接解析：
在石墨負極首次充電時，電解液分解生成 Li?CO?（特征峰 2θ≈21.5°）、LiF（特征峰 2θ≈45.8°）等 SEI 膜成分，這些峰的強度在循環(huán) 10 次后趨于穩(wěn)定，表明 SEI 膜形成致密保護層，此時電池阻抗較低；
當溫度升至 60℃時，Li?CO?的特征峰強度下降，同時出現(xiàn) Li?O 的新峰（2θ≈36.1°）—— 這說明 SEI 膜分解，電解液持續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致阻抗升高 2 倍，電池充放電效率從 99% 降至 85%。
這一發(fā)現(xiàn)為低溫電解液配方優(yōu)化提供了方向：通過添加氟代碳酸乙烯酯（FEC），可促進 LiF 生成，提升 SEI 膜的熱穩(wěn)定性，抑制界面失效。
三、挑戰(zhàn)與未來方向
盡管原位 XRD 已成為鋰電失效研究的核心工具，仍面臨技術(shù)瓶頸：
1.空間分辨率局限：難以捕捉局部微觀區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化（如電極顆粒邊緣的相變），需結(jié)合原位原子力顯微鏡（AFM）或透射電子顯微鏡（TEM）實現(xiàn) “宏觀結(jié)構(gòu) - 微觀原子” 的跨尺度觀測；
2.多因素耦合解析：實際電池失效常伴隨溫度、電壓、電流的協(xié)同影響，現(xiàn)有技術(shù)難以單獨區(qū)分某一因素對結(jié)構(gòu)的作用，需開發(fā)多參數(shù)同步原位系統(tǒng)；
3.數(shù)據(jù)解讀復(fù)雜度：復(fù)雜物相（如無定形 SEI 膜、中間相）的衍射信號重疊，需結(jié)合 AI 算法（如機器學(xué)習(xí)峰形擬合）提升解析效率與準確性。
未來，原位 XRD 將向 “多技術(shù)聯(lián)用” 與 “智能化” 升級：一方面，與原位拉曼、原位電化學(xué)阻抗譜（EIS）聯(lián)用，同步獲取 “結(jié)構(gòu) - 成分 - 阻抗” 信息；另一方面，通過 AI 自動識別失效相關(guān)的特征衍射峰，建立 “結(jié)構(gòu)預(yù)警模型”，提前預(yù)測電池失效風(fēng)險。
總結(jié)
原位 XRD 技術(shù)通過突破傳統(tǒng)靜態(tài)分析的局限，從原子尺度揭示了鋰電材料失效的核心機理 —— 無論是正極的層狀結(jié)構(gòu)坍塌、負極的晶格破裂，還是界面 SEI 膜的不穩(wěn)定，都可通過其動態(tài)追蹤精準定位。這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)不僅為鋰電材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如摻雜改性、復(fù)合結(jié)構(gòu)）提供了明確方向，更推動了高容量、長壽命、高安全鋰電池的研發(fā)進程，成為連接基礎(chǔ)材料研究與工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)橋梁。
