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鈉離子電池 (SIB) 作為鋰離子電池的有前途的替代品，其能量密度、循環(huán)壽命和倍率性能從根本上取決于動態(tài)理化反應、結構變化和形態(tài)演變。因此，有必要全面了解復雜工作環(huán)境中的SIBs 反應過程、降解機制和熱/機械行為。

在此，美國弗吉尼亞理工大學林鋒教授、阿貢國家實驗室Yuzi Liu以及美國博伊西州立大學Hui Xiong等人總結了關于SIB的原位和operando表征技術的最新進展。

原位TEM等微觀結構表征是追蹤Na嵌入/提取過程中的相變和形態(tài)演變的有用工具；XRD、對分布函數（PDF）在內的原位/operando散射技術提供了充放電循環(huán)期間整體/局部結構演變和相變的有價值信息；各種光譜技術（XAS和TXM）可以提供有關電荷補償、局部化學機械特性和荷電狀態(tài)（SOC）異質性的信息。這些原位技術的最新發(fā)展不僅可以直接闡明結構演化和識別反應機制，還可以提供對熱力學和動力學過程的全面見解。

圖1. 不同尺度的電池方案以及與電化學特性相關的基礎科學信息

盡管近年來原位和operando表征技術取得了重大發(fā)展，但仍有一些重要問題有待解決：

（1）通常需要復雜的實驗配置和昂貴的設備；

（2）設計和優(yōu)化各種新穎的配置以模擬真實電池的工作條件；

（3）考慮結合不同的表征技術以提供對SIB系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)健和全面的解釋；

（4）樣本的同一區(qū)域可以通過互補特征共同定位和檢查；

（5）軟XAS、X射線斷層掃描和PDF等技術需要在SIB中得到擴展應用；

（6）開發(fā)更巧妙的表征技術用于闡明電極材料與非活性成分之間的物理和電化學關系；

（7）注意輻射損害；

（8）努力降低或消除電池顆粒、電極和電池的化學和結構異質性；

（9）需要快速的數據收集和數據挖掘來探索SIBs研究中的非平衡狀態(tài)；

（10）高通量表征技術對于材料基因組計劃方法的材料發(fā)現和成分優(yōu)化非常重要；

（11）采用無監(jiān)督學習來獲得超越當前專家水平的感知，以理解電池性能、反應和衰減機制。

圖2. 促進SIB研究和開發(fā)的各種原位/operando表征的概述

Spatial and Temporal Analysis of Sodium-Ion Batteries, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01868

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ACS Energy Lett.綜述：用于鈉離子電池時空分析的先進原位表征技術

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