在新能源汽車與儲能設(shè)備快速發(fā)展的當(dāng)下，軟包電池憑借其高能量密度、靈活設(shè)計(jì)等優(yōu)勢成為主流選擇。然而，極端溫度環(huán)境（如-20℃的低溫或50℃的高溫）會顯著影響電池的充放電效率、循環(huán)壽命及安全性。傳統(tǒng)非原位XRD技術(shù)因無法捕捉動態(tài)結(jié)構(gòu)變化，難以揭示電池在極端條件下的真實(shí)衰減機(jī)制。原位XRD技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電池充放電過程中的晶體結(jié)構(gòu)演變，為破解這一難題提供了關(guān)鍵工具。

一、極端溫度對軟包電池的挑戰(zhàn)與原位XRD的核心價(jià)值

極端溫度通過改變電極材料的離子遷移速率、界面穩(wěn)定性及相變行為，直接威脅電池性能。例如，低溫下鋰離子在石墨負(fù)極中的嵌入阻力增加，易引發(fā)鋰枝晶生長；高溫則加速電解液分解，導(dǎo)致正極材料結(jié)構(gòu)坍塌。傳統(tǒng)非原位XRD需拆解電池進(jìn)行測試，不僅破壞原始狀態(tài)，還因不同極片間的物理差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)可比性差。原位XRD技術(shù)通過同步監(jiān)測同一材料在充放電循環(huán)中的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化，可精準(zhǔn)捕捉物相轉(zhuǎn)變、晶格參數(shù)波動等關(guān)鍵信息，為優(yōu)化電池設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

二、原位XRD技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

原位XRD通過透射或反射模式實(shí)現(xiàn)電池材料的實(shí)時(shí)監(jiān)測。以西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究為例，其采用透射模式XRD系統(tǒng)，將軟包電池置于開有Kapton膜視窗的裝置中，配合高低溫環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)-20℃至80℃寬溫域下的結(jié)構(gòu)演化分析。實(shí)驗(yàn)中，鉬靶（Mo Kα）替代傳統(tǒng)銅靶，顯著減少X射線吸收，提升信號強(qiáng)度；EIGER2 R 500K探測器通過厚硅傳感器優(yōu)化電荷共享效應(yīng)，降低背景噪聲，確保數(shù)據(jù)精度。

三、極端溫度下的結(jié)構(gòu)演化案例解析

1. 低溫環(huán)境下的鋰沉積與界面重構(gòu)

北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過原位XRD發(fā)現(xiàn)，在-20℃低溫下，石墨負(fù)極的鋰嵌入過程受阻，導(dǎo)致鋰離子在表面沉積形成枝晶。原位XRD圖譜顯示，隨著充電深度增加，石墨（002）峰強(qiáng)度逐漸減弱，同時(shí)出現(xiàn)鋰金屬的（110）衍射峰，表明鋰沉積開始。進(jìn)一步結(jié)合電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析，發(fā)現(xiàn)鋰沉積導(dǎo)致負(fù)極傳荷阻抗（Rct）呈三階段變化：初始嵌鋰階段（Rct線性下降）、鋰成核與核長大階段（Rct加速下降）、枝晶生長階段（Rct出現(xiàn)平臺）。這一發(fā)現(xiàn)為抑制低溫析鋰提供了新思路，例如通過MXene納米片構(gòu)筑“三明治”異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可顯著提升鋰離子傳輸速率，減少枝晶形成。

2. 高溫環(huán)境下的正極結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校團(tuán)隊(duì)在50℃高溫下測試軟包電池時(shí)，原位XRD揭示了高鎳三元正極（NMC）的晶格參數(shù)動態(tài)變化。充電過程中，NMC的a軸晶格參數(shù)因過渡金屬氧化狀態(tài)升高而收縮，c軸參數(shù)則因O-O靜電斥力先擴(kuò)張后收縮（當(dāng)電壓>4V時(shí)，氧向過渡金屬轉(zhuǎn)移電荷，減少斥力）。這種非對稱變化導(dǎo)致NMC顆粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，長期循環(huán)后引發(fā)微裂紋，加速容量衰減。研究團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)二丁基醚基電解液，有效抑制了高溫下NMC與電解液的副反應(yīng)，將電池循環(huán)壽命提升至1200次以上。

四、原位XRD技術(shù)的未來展望

隨著同步輻射光源與高分辨率探測器的普及，原位XRD技術(shù)正朝著更高時(shí)間分辨率（毫秒級）與空間分辨率（微區(qū)級）發(fā)展。例如，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)（晶格參數(shù)、相組成、應(yīng)力分布）的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)分析，精準(zhǔn)預(yù)測電池衰減路徑。此外，原位XRD與原位拉曼、原位TEM等技術(shù)的聯(lián)用，將進(jìn)一步揭示電池材料在極端溫度下的多尺度結(jié)構(gòu)演化機(jī)制，為開發(fā)下一代高安全、長壽命電池提供技術(shù)支撐。

原位XRD技術(shù)通過“透視”電池在極端溫度下的結(jié)構(gòu)演化，不僅揭示了性能衰減的根源，更為材料改性與電池設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。隨著技術(shù)的持續(xù)突破，這一工具將在新能源領(lǐng)域發(fā)揮更大價(jià)值，推動電動汽車與儲能設(shè)備向更高效、更可靠的方向邁進(jìn)。