2.1 电动车辆能源传输微系统机理
能源是电动车辆发展的基石，电池材料是电动车辆重要的能源材料，通过电池材料的电化学/化学耦合作用把化学能转化为动能，实现动力电池功能。现在的商用动力电池充电时间过长，续航里程过短，不能完全满足电动车辆的需求。为适应电动车辆长续航里程与快速充电的发展趋势，对电池材料提出了更加苛刻的要求。长距离续航、快速充电等复杂工况会使造成大电流瞬间放电及快速温升频繁发生，将导致电池耐久性与使用性能变差。电池材料处于加速能量传输/快速温升的非平衡动态工况。在长距离续航及快速充放电等过程中，电池材料损伤极为严重，加速能量传输/快速温升耦合频繁发生，使电池很难达到预期设计的耐久性能和安全使用寿命。在技术层面，安全是电池技术首要前提，安全事故是对电池技术的严峻挑战。在科学层面，电池技术的底层创新依赖于材料微结构体系与微尺度效应，只有新材料结构体系带来的新尺度效应，才能引领未来更加安全的适应耐久性的电池技术发展，例如，功能电极材料结构体系（图2-1a）、核壳复合材料结构体系等，因此，随着电池技术的发展需求，新材料研究经久不衰。由于电极材料提高了应力/温升耦合性能和使用寿命，并保证了热稳定性和耐久性等，其诱人的应用前景被研究者日益重视。但是目前电池电极材料性能能量传输的微尺度表征工作，多为定性表征或半定量分析，定量及可视化表征工作稀少，还未能揭示电池性能能量传输失效机理及预测耦合演化进程。Sayle等分析了锂嵌入电极材料结构的模型，自表及里晶粒由纳米增大至微米尺度。实验表明，电极材料优异变形能力源于微结构独特的变形机制，在演化过程中其变形机制为晶界迁移、空洞、位错等，并伴随空洞长大，如图2-1b所示。
图2-1 电池电极材料模型
a）电池电极材料微结构模型 b）锂嵌入电极材料微结构跨尺度模型
对近年来重载、高速、耐久电动车辆电池动态过程中的事故进行研究表明，大多故障源自电池材料动态能量传输与损伤耦合。在电化学与热力学层面，应力/快速温升导致材料微结构发生微尺度缺陷，比如位错/空洞/微裂纹等缺陷，这些缺陷演化发展后使得电池性能能量传输与材料失效耦合，从而发生事故。Huang等研究了在应力与快速温升的耦合作用下，电池电极材料动态损伤和断裂过程，认为能量传输源于材料内部微结构的动态演化，位错生长与贯通，演化成位错云，出现位错、位错云等缺陷的交互与关联。位错云使得微区应力迁移、应力电极变化等，如图2-2所示。
图2-2 电极位错演化进程表征
a）锂化位错云 b）缺陷团 c）初始位错 d）位错滑移 e）位错云扩展 f）位错云成核
Wood等采用同步辐射X射线断层扫描显微镜（Synchrotron Radiation X-ray Tomographic Microscopy，简称SRXTM）结合第一原理能量计算，测出了非平衡状态微尺度析出相的晶体结构与能量传输演化，分析了裂纹萌生与扩展演化过程中性能能量传输的微尺度机制，如图2-3所示。微结构的电池性能能量传输清晰地反映在微尺度电极结构的可视化表征图像中，揭示了充放电过程中微结构还原与氧化反应的基本结构形态。目前，对电池材料微结构位错/应力电极/空洞耦合尚缺乏表征技术，定量表征尤其困难，空洞成核与演化过程难以观测，应力迁移物理机制还未阐明，位错萌生过程也不清楚。电池技术理论框架虽很漂亮，但实验表征多为定性实验，定量表征稀少，结果不够准确。目前实验虽考虑宏观应力与高温影响，但未体现应力与非平衡状态快速温升导致的微结构及微尺度缺陷演化以及应力电极变化而受到争议。若能定量表征非平衡状态应力/快速温升下位错、应力诱发空洞及空洞贯通等耦合机理，那无疑将是一个有价值且有意义的工作。因此，急需发展高速/重载/耐久电池电极材料应力/温升耦合导致应力迁移、微区应力电极及位错、空洞耦合机理的实验表征技术，揭示电池电极材料微结构运动与微尺度缺陷演化耦合作用的耦合机理，为电池技术发展提供科学依据和技术支撑。
图2-3 电极微结构能量传输微尺度表征示意图
a）未经加工的横截面X照相术显示单个SnO2颗粒在电极具有高分辨率和良好对比度，表征了衰减的电极微结构 b）通过两个微结构的截面相，表征电极微结构体积膨胀、裂纹萌生和氧化能量传输进程
随着实验技术迅速发展，对位错/应变/空洞耦合行为定量表征和分析成为可能，Nam等用暗场（darkfield DF）技术结合透射电镜（Transmission Electron Mi-croscope，TEM）技术的暗场透镜（DFTEM）技术表征微尺度缺陷与位错，如图2-4所示。DFTEM是近年出现的技术，是微尺度定量表征位错/应力电极是很有潜力的手段，它将莫尔技术与离轴全息结合，具有分辨率高、视场大、灵敏度高、结果直观等优点。但该领域实验较少，许多技术细节都很不完善，例如实时加载、样品制备、观测分析手段等都不完备，制约与掣肘了该技术的发展。目前需求迫切的新技术为：
①应力/快速温升下电池电极材料位错/应力电极/空洞耦合能量传输建模方法。
②非平衡状态下位错/应力迁移微尺度耦合能量传输的定量表征技术。
③位错/应变/空洞耦合能量传输失效表征与加载技术。
下面分析这三方面研究现状及动态进展。
图2-4 暗场透镜微尺度表征