2.1 電動車輛能源轉換微系統機理

能源是電動車輛發展的基石，電池材料是電動車輛重要的能源材料，通過電池材料的電化學/化學耦合作用把化學能轉化為動能，實現動力電池功能?，F在的商用動力電池充電時間過長，續駛里程過短，不能完全滿足電動車輛的需求。為適應電動車輛長續駛里程與快速充電的發展趨勢，對電池材料提出了更加苛刻的要求。長距離續駛、快速充電等復雜工況會造成大電流瞬間放電及快速溫升頻繁發生，將導致電池耐久性與使用性能變差。電池材料處于加速能量轉換/快速溫升的非平衡動態工況。在長距離續駛及快速充放電等過程中，電池材料損傷極為嚴重，加速能量轉換/快速溫升耦合頻繁發生，使電池很難達到預期設計的耐久性能和安全使用壽命。在技術層面，安全是電池技術首要前提，安全事故是對電池技術的嚴峻挑戰。在科學層面，電池技術的底層創新依賴于材料微結構體系與微尺度效應，只有新材料結構體系帶來的新尺度效應，才能引領未來更加安全的適應耐久性的電池技術發展，例如功能電極材料結構體系（圖2-1a）、核殼復合材料結構體系等，因此隨著電池技術的發展需求，新材料研究經久不衰。由于電極材料提高了應力/溫升耦合性能和使用壽命，并保證了熱穩定性和耐久性等，其誘人的應用前景被研究者日益重視。但是目前電池電極材料性能能量轉換的微尺度表征工作，多為定性表征或半定量分析，定量及可視化表征工作稀少，還未能揭示電池性能能量轉換失效機理及預測耦合演化進程。人們分析了鋰嵌入電極材料結構的模型，自表及里晶粒由納米增大至微米尺度。實驗表明，電極材料優異變形能力源于微結構獨特的變形機制，在演化過程中其變形機制為晶界遷移、空洞、位錯等，并伴隨空洞長大，如圖2-1b所示。

對近年來重載、高速、耐久電動車輛電池動態過程中的事故進行研究表明，大多故障源自電池材料動態能量轉換與損傷耦合。在電化學與熱力學層面，應力/快速溫升導致材料微結構發生微尺度缺陷，例如位錯/空洞/微裂紋等，這些缺陷演化發展后使得電池性能能量轉換與材料失效耦合，從而發生事故。有學者研究了在應力與快速溫升的耦合作用下，電池電極材料動態損傷和斷裂過程，認為能量轉換源于材料內部微結構的動態演化，位錯生長與貫通，演化成位錯云，出現位錯、位錯云等缺陷的交互與關聯。位錯云使得微區應力遷移、應力電極變化等，如圖2-2所示。

科學家采用同步輻射X射線斷層掃描顯微鏡（Synchrotron Radiation X-ray Tomographic Microscopy,SRXTM）結合第一原理能量計算，測出了非平衡狀態微尺度析出相的晶體結構與能量轉換演化，分析了裂紋萌生與擴展演化過程中性能能量轉換的微尺度機制，如圖2-3所示。微結構的電池性能能量轉換清晰地反映在微尺度電極結構的可視化表征圖像中，揭示了充放電過程中微結構還原與氧化反應的基本結構形態。目前，對電池材料微結構位錯/應力電極/空洞耦合尚缺乏表征技術，定量表征尤其困難，空洞成核與演化過程難以觀測，應力遷移物理機制還未闡明，位錯萌生過程也不清楚。電池技術理論框架雖很漂亮，但實驗表征多為定性實驗，定量表征稀少，結果不夠準確。目前實驗雖考慮宏觀應力與高溫影響，但未體現應力與非平衡狀態快速溫升導致的微結構及微尺度缺陷演化以及應力電極變化而受到爭議。若能定量表征非平衡狀態應力/快速溫升下位錯、應力誘發空洞及空洞貫通等耦合機理，那無疑將是一個有價值且有意義的工作。因此，急需發展高速/重載/耐久電池電極材料應力/溫升耦合導致應力遷移、微區應力電極及位錯、空洞耦合機理的實驗表征技術，揭示電池電極材料微結構運動與微尺度缺陷演化耦合作用的耦合機理，為電池技術發展提供科學依據和技術支撐。

隨著實驗技術迅速發展，對位錯/應變/空洞耦合行為定量表征和分析成為可能，有學者用暗場（Darkfield DF）技術結合透射電鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）技術的暗場透鏡（DFTEM）技術表征微尺度缺陷與位錯，如圖2-4所示。DFTEM是新出現的技術，是微尺度定量表征位錯/應力電極很有潛力的手段，它將莫爾技術與離軸全息結合，具有分辨率高、視場大、靈敏度高、結果直觀等優點。但該領域實驗較少，許多技術細節都很不完善，例如實時加載、樣品制備、觀測分析手段等都不完備，制約與掣肘了該技術的發展。目前需求迫切的新技術為：

① 應力/快速溫升下電池電極位錯/應力電極/空洞耦合能量轉換技術。

② 非平衡狀態下位錯/應力遷移/裂紋耦合能量轉換定量微尺度表征。

③ 位錯/應變/空洞耦合能量轉換失效表征與加載技術。

下面分析這三方面的研究現狀及動態進展。