牛津仪器Symmetry EBSD 解锁锂电池正极颗粒应变密码

在锂离子电池中，锂离子的脱出和嵌入通常会引起晶格各向异性的体积变化，常常导致应变。应变的累积会造成进一步的结构和力学失效，导致性能的衰减。深入理解应变对电池材料的正向设计至关重要。

在当前针对应变的表征方法中，粉末XRD技术平均化应变效应，掩盖了单个晶粒内部及多个晶粒之间的异质性。基于X射线衍射技术的Williamson-Hall分析和布拉格相干X射线衍射成像技术（BCDI）必须采用高度相干的同步辐射X射线，且测试极为耗时，因此只能从有限数量的纳米/亚微米颗粒中收集应变信息。而电子背散射衍射技术（EBSD）可以实现晶界、取向及取向差（应变）等晶粒微结构的可视化表征和分析。牛津仪器Symmetry EBSD，以其高角分辨率、高花样分辨率及高空间分辨率等特点，使得EBSD技术可对锂电池正极材料内微小的应变进行分析。如图1所示。

图1 EBSD衍射成像技术与其他常见电池材料应变表征技术的比较

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上海交通大学李林森研究员和宁德时代沈重亨博士团队密切合作，开发了针对层状氧化物正极材料应变的可视化、统计量化和起源的分析方法（基于EBSD技术）。论文第一作者为上海交通大学化学化工学院王伟娜博士。其他主要作者包括上海交通大学马紫峰教授、陈立桅教授和宁德时代吴凯院士。文章发表于2026年1月的Nature Communications。

该工作分别针对两种广泛应用于消费电子和电动汽车电池的高电压钴酸锂LiCoO₂和9系超高镍单晶三元LiNi_0.92Co_0.06Mn_0.02O₂的正极材料，首先可视化了应变的空间分布，并量化了数千个处于不同电化学状态的正极颗粒中的应变大小，并确定了两种主要的畸变模式——层弯曲和层扭曲。该工作观察到在单个晶粒内部以及不同颗粒之间都存在显著的应变异质性，这些异质性在嵌锂过程中可以一定程度自修复，但在更深度的脱锂和反复循环中加剧。不可恢复的层弯曲（而非层扭曲）的积累阻碍了锂离子在颗粒体相中的传输，导致了高电压循环工况中的容量损失。该工作通过大规模统计研究，揭示了层状氧化物正极中体相晶格疲劳的复杂性和动态性，挑战了文献中强调表面或近表面结构损伤影响的传统认识。EBSD作为一项介观表征技术，不仅可实现纳米级别空间分辨率，又融合了多颗粒尺度（极片尺度）的多模态信息，实现了力-电化学的关联解析，极大促进了颗粒的高敏感结构因子的快速和精准研判，在高比能层状正极材料性能的快速预测上提供了【快、准、稳】的方法学工具。

图文解析

总结与展望

该工作首次引入了“GROD偏差角图”来可视化大样本量层状氧化物正极颗粒（包括高电压钴酸锂LiCoO₂和9系三元LiNi_0.92Co_0.06Mn_0.02O₂）中应变的演变及其空间异质性。对来自数千个颗粒的GROD角度数值分布进行了统计分析，结果表明随着脱锂程度和循环次数的增加，应变正极颗粒的数量和总体应变水平均增加。极图分析进一步区分了循环后正极颗粒中两种主要的畸变类型，即层弯曲和层扭曲。统计表明层弯曲（而非层扭曲）的积累是微米级层状氧化物正极颗粒中动力学控制容量损失的主要贡献者。这项工作不仅增进了对层状氧化物正极内部复杂的电化学-力学相互作用的理解，也有望为各种新兴电化学能源材料（例如固态电池电解质材料、钙钛矿光伏薄膜样品）建立了一种高效且广泛可用的表征工具。

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