第一作者：Tianxiao Sun (孙天啸), Guannan Qian (钱冠男), Ruqing Fang (方儒卿)
通讯作者：Yijin Liu, Juner Zhu
背景介绍
层型锂离子电池正极长期被视为结构稳定的代表体系，但在实际运行中，电池仍普遍表现出电极形变、起皱和鼓包等宏观现象，暗示内部存在尚未被充分理解的结构演化过程。已有研究表明，电极内普遍存在电化学反应的空间与时间非均匀性，不同颗粒和晶粒之间的反应不同步会引发局部体积变化与应力集中。然而，这些力学效应多依赖循环前后或静态表征推断，缺乏对充放电过程中应变如何生成、传递并跨尺度累积的直接观测。在真实压实电极和商用电池结构中，化学过程与结构响应是否始终同步，以及这种潜在的力学异步性如何影响电极稳定性，仍是电池领域亟待厘清的关键问题。
工作介绍
在此，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Yijin Liu教授和美国东北大学Juner Zhu教授等人提出，在充放电运行过程中，电极内部并非保持结构静止，而是始终伴随着持续的颗粒位移、旋转与重排，呈现出一种被忽视的力学动态行为。研究团队通过多模态原位/操作态显微成像与多尺度建模，在实时尺度上揭示：应变的产生并不等待明显的电化学反应完成，而是在反应初期便已出现并不断累积，其根源在于化学嵌/脱锂过程与晶粒物理运动之间的时间不同步。进一步的晶粒分辨衍射分析提出了“应变瀑布（strain cascade）”机制，即少数电化学活跃晶粒充当局部应力源，通过颗粒接触网络逐级传递应变，驱动周围区域发生连锁机械响应，最终在电极尺度上形成难以完全恢复的结构形变。这一发现从力学角度重新界定了电极“稳定性”的内涵，为面向长寿命储能体系的结构设计提供了新的物理依据。相关研究成果以“Electrode strain dynamics in layered intercalation battery cathodes”为题发表在Science上。美国德克萨斯大学奥斯汀分校孙天啸、美国德克萨斯大学奥斯汀分校钱冠男和美国东北大学方儒卿为共同第一作者。
图文解析
研究首先在自主设计的毛细管自由电极体系中，利用同步辐射透射 X 射线显微成像，对正极颗粒在充电过程中的实时行为进行追踪。结果显示，活性颗粒在充电早期便开始发生明显的相对运动，包括平移和旋转，而非简单的原位体积变化。当相邻颗粒逐渐靠近并建立物理接触后，其原本存在的荷电状态差异迅速减小，表明颗粒接触可触发局部电荷再分配。这一结果直接揭示了机械相互作用能够反向调节电化学过程，为理解多颗粒体系中的自组织行为提供了关键证据。
图1.自由电极中的颗粒簇应变、颗粒运动及颗粒间电荷传递。
为验证上述现象在真实电池结构中的普适性，研究进一步对单层软包电池开展了原位三维 X 射线层析成像。成像结果表明，在充电过程中，电极层内部逐渐出现不均匀的起伏和褶皱，反映出应变在电极尺度上的持续积累。三维光流分析揭示，电极不同区域的形变模式存在显著差异，平面内与垂直方向的运动并不同步，且颗粒尺寸会影响其运动特征。这说明电极形变并非均匀发生，而是由局部结构差异逐步放大并耦合形成的整体响应。
图2.压实软包电池的原位层析成像结果。
在自由电极和压实电极中，研究还捕捉到少量颗粒在短时间内发生远高于平均水平的快速位移或旋转。这类事件呈现出随机、稀疏的特征，并非连续或周期性发生。通过原位光学显微和事件触发分析方法，研究确认这些快速运动是真实存在的物理过程，而非成像伪影。结果表明，局部电化学激活可能引发瞬时力学扰动，使部分颗粒发生突发性重排，为电极内部应变释放和再分布提供了一条非连续通道。
图3.随机出现且分布稀疏的快速运动正极颗粒。
为了追溯这些复杂形变的微观起源，研究利用同步辐射晶粒分辨 X 射线衍射，对单个晶粒在充放电过程中的化学反应与物理旋转进行同步解析。结果发现，不同晶粒在同一电极中表现出截然不同的行为：部分晶粒在发生嵌锂/脱锂的同时伴随明显旋转，而另一些晶粒几乎不参与化学反应，却仍发生显著位移。基于此，研究提出“应变瀑布”机制，即少数电化学活跃晶粒作为应力源，通过颗粒接触网络逐级传递应变，驱动周围区域发生连锁机械响应，最终在电极尺度上引发结构重构。
图4.不同正极区域中化学插层/脱层与物理旋转的耦合与解耦合。
总结与展望
通过将多种原位显微与衍射技术引入同一研究框架，本文首次在工作状态下系统描绘了电极内部结构演化的时间序列图景。研究表明，电极中的颗粒与晶粒并非按统一节奏响应充放电过程，而是以高度非同步的方式发生位移与重排，这种差异化运动在局部不断叠加，最终演化为电极层面的结构变化。与传统从循环结果反推失效机理的研究路径不同，本工作直接揭示了形变是如何在运行过程中被“逐步写入”电极结构之中的。
从应用角度看，这一发现提示电极寿命问题并非只在材料老化后才显现，而是在每一次充放电中就已悄然累积。未来的电池设计有必要将关注点前移，从运行过程本身出发，通过调控颗粒接触方式、结构自由度和应变释放空间，主动引导结构演化路径。随着同步辐射原位技术与数据分析手段的进一步发展，这种以“动态结构行为”为核心的研究范式，有望为高性能储能器件的设计提供更具前瞻性的指导。
