电化学储能系统的结构演化

电池材料在电化学及受热过程中体相结构的演化对电池循环寿命、库伦效率、功率和安全等性能都有着重要的影响：首先，锂、钠等离子在电池材料体相中迁移速率的快慢决定了电池的动力学性能；其次，在电化学过程中，电池材料相变的发生导致其体积、形貌、电子导电性、离子导电性、氧化还原稳定性、电位、应力等一系列重要性质的改变，并直接影响到电池电化学反应及循环寿命；最后，电池正极材料在受热过程中体相结构的变化直接关系到析氧的温度和产热量，从而严重影响电池的安全性能。除体相结构因素影响电池上述性能以外，电池材料界面结构性质对锂、钠等离子在界面处的脱嵌速率、电荷转移速率及电池系统的稳定性也起着关键影响。更重要的是，无论是体相结构还是界面结构，都被广泛证明在电池电化学过程中发生动态变化。因此，理解认识电池材料的本征结构和动态结构演化对于设计更高能量、更高功率、更高寿命以及更安全的电池体系至关重要。

目前研究电池材料体相结构的测试/表征手段包括电化学、衍射、谱学、理论计算等。其中，利用原位探测技术可实时原位的观测材料在能量存储及受热过程中的动态结构变化；结合X射线衍射和原子对分布函数分析不仅可以分析晶相部分的结构，还可用于解析材料无定型相结构；利用核磁共振等手段可以准确分析出锂、钠等离子的局部结构分布特性；将分析手段与质谱技术结合，还可以进一步理解结构变化和产气过程的内在关联；通过一些表面探测技术，如表面增强拉曼、软X射线吸收光谱、X射线光电子能谱等可有效解析出材料界面处的精细结构；此外，将上述实验表征技术与理论计算相结合，还可用于深入理解锂、钠等离子在界面处的储存与传输机制。

为全面和准确地反映电化学储能系统中的材料结构形式、表征技术手段与模拟仿真设计等方面的最新科研及技术成果，推动电化学储能材料结构先进表征技术的进步，促进其在“双碳计划”中的应用，进一步推动当前“能源革命”，Chinese Physics Letters组织了“电化学储能系统的结构演化”专题，以展示国内外代表性科研团队的最新重要成果，从晶体结构到界面性能、从原位表征到精确模拟、从微观图像到宏观表达、从机械强度到温度管理、从稳定性到失效机制等多方面，全面解决和分析了电化学储能系统结构演变中的关键科学问题。

电化学储能的迅速发展极大程度上依赖于储能系统的革新及其推动下的新型材料体系的研发。随着电化学储能的大规模推广和应用，电池材料的本征性能和结构演化的深刻理解对电池的研究开发起到了决定性作用。围绕高能量密度、低成本、高安全性、长寿命、高功率的目标，各国优秀科学家坚定不移地追求创新、专注科研，推动电化学储能技术的快速发展。