2.1 電動車輛能源轉(zhuǎn)換微系統(tǒng)機理

能源是電動車輛發(fā)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(zhuǎn)化為動能，實現(xiàn)動力電池功能。現(xiàn)在的商用動力電池充電時間過長，續(xù)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(xù)駛里程與快速充電的發(fā)展趨勢，對電池材料提出了更加苛刻的要求。長距離續(xù)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(fā)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(zhuǎn)換/快速溫升的非平衡動態(tài)工況。在長距離續(xù)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(zhuǎn)換/快速溫升耦合頻繁發(fā)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(shù)層面，安全是電池技術(shù)首要前提，安全事故是對電池技術(shù)的嚴峻挑戰(zhàn)。在科學層面，電池技術(shù)的底層創(chuàng)新依賴于材料微結(jié)構(gòu)體系與微尺度效應，只有新材料結(jié)構(gòu)體系帶來的新尺度效應，才能引領(lǐng)未來更加安全的適應耐久性的電池技術(shù)發(fā)展，例如功能電極材料結(jié)構(gòu)體系（圖2-1a）、核殼復合材料結(jié)構(gòu)體系等，因此隨著電池技術(shù)的發(fā)展需求，新材料研究經(jīng)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(wěn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yōu)異變形能力源于微結(jié)構(gòu)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(tài)過程中的事故進行研究表明，大多故障源自電池材料動態(tài)能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)發(fā)生微尺度缺陷，例如位錯/空洞/微裂紋等，這些缺陷演化發(fā)展后使得電池性能能量轉(zhuǎn)換與材料失效耦合，從而發(fā)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(tài)損傷和斷裂過程，認為能量轉(zhuǎn)換源于材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化，位錯生長與貫通，演化成位錯云，出現(xiàn)位錯、位錯云等缺陷的交互與關(guān)聯(lián)。位錯云使得微區(qū)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(jié)合第一原理能量計算，測出了非平衡狀態(tài)微尺度析出相的晶體結(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)換演化，分析了裂紋萌生與擴展演化過程中性能能量轉(zhuǎn)換的微尺度機制，如圖2-3所示。微結(jié)構(gòu)的電池性能能量轉(zhuǎn)換清晰地反映在微尺度電極結(jié)構(gòu)的可視化表征圖像中，揭示了充放電過程中微結(jié)構(gòu)還原與氧化反應的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)。目前，對電池材料微結(jié)構(gòu)位錯/應力電極/空洞耦合尚缺乏表征技術(shù)，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(shù)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(jié)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(xiàn)應力與非平衡狀態(tài)快速溫升導致的微結(jié)構(gòu)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(tài)應力/快速溫升下位錯、應力誘發(fā)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(fā)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(qū)應力電極及位錯、空洞耦合機理的實驗表征技術(shù)，揭示電池電極材料微結(jié)構(gòu)運動與微尺度缺陷演化耦合作用的耦合機理，為電池技術(shù)發(fā)展提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。

隨著實驗技術(shù)迅速發(fā)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(shù)結(jié)合透射電鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）技術(shù)的暗場透鏡（DFTEM）技術(shù)表征微尺度缺陷與位錯，如圖2-4所示。DFTEM是新出現(xiàn)的技術(shù)，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(shù)與離軸全息結(jié)合，具有分辨率高、視場大、靈敏度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點。但該領(lǐng)域?qū)嶒炤^少，許多技術(shù)細節(jié)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(shù)的發(fā)展。目前需求迫切的新技術(shù)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(zhuǎn)換技術(shù)。

② 非平衡狀態(tài)下位錯/應力遷移/裂紋耦合能量轉(zhuǎn)換定量微尺度表征。

③ 位錯/應變/空洞耦合能量轉(zhuǎn)換失效表征與加載技術(shù)。

下面分析這三方面的研究現(xiàn)狀及動態(tài)進展。