第一作者：Tianxiao Sun (孙天啸), Guannan Qian (钱冠男), Ruqing Fang (方儒卿)
通讯作者：Yijin Liu, Juner Zhu
第一通讯单位：美国德克萨斯大学奥斯汀分校
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即使是被认为结构极其稳定的插层型电极材料，在充放电过程中也会发生细微而复杂的运动与形变，仿佛电池在“呼吸”。该研究揭示了电池材料在充放电中存在持续的“力学呼吸”，为设计可自适应应力、延长寿命的下一代电池提供了新物理基础。研究人员利用多模态原位显微技术和多尺度建模，首次在实时尺度上捕捉到电极颗粒在充电初期便开始相互靠近、旋转和重新排列的过程，揭示应变在电化学反应尚未启动时就已悄然生成并不断积累。这种动态变化不仅存在于实验模型中，即便在商用圆柱电池和软包电池中也同样出现（见导图1）。同步辐射原位X射线成像显示，电极层在一次充放电后仍保留无法完全恢复的残余形变，表明这种应变演化是电池运作中固有且持久的现象。研究进一步发现，增加粘结剂含量虽然能减缓颗粒的脱附，但无法阻止应力在颗粒间的传递与累积。通过高分辨衍射实验，团队提出“应变瀑布”机制，揭示电化学活性晶粒会像应力源一样，将局部变形逐级传导至周围区域，引发整个电极的自组织重构。这一发现改变了人们对电极稳定性的传统认知，说明即便是最成熟的电池体系，其内部仍在持续经历看不见的力学演化。通过理解并调控这种隐性的“呼吸”，未来有望设计出能在动态应力中自适应调节、真正实现长寿命与高稳定性的下一代能源系统。
相关工作以“Electrode strain dynamics in layered intercalation battery cathodes”为题发表在Science上。
导图1：商业圆柱电池（左）和软包电池（右）在单次充放电过程中的“呼吸”现象。
背景介绍
锂离子电池的高能量密度和长循环寿命，使其成为现代能源体系的核心，但其内部结构在运行过程中并非如想象般静止。随着每一次充放电，离子的嵌入与脱出会引发晶格膨胀与收缩，从而在微观层面产生应力与应变（导图2）。这些应变在电极的多颗粒网络中不断传导和叠加，最终演化为宏观的形变、裂纹与容量衰减。传统研究通常将电极老化归因于化学反应或结构相变，而忽略了力学应力在其中的动态作用。事实上，电化学反应的空间不均匀性与时间异步性使得颗粒间的应力传递变得极为复杂，局部的形变可能在未出现显著相变时就已悄然积累。随着电池能量密度的提升和极片压实度的增加，这种隐性的机械演化愈发成为影响寿命与安全性的关键因素。要真正理解电极的稳定性，必须跨越从晶粒到电极的多尺度层级，直接观察并量化这种力学与化学的耦合过程。本研究正是基于这一挑战，尝试揭示插层型正极材料在运行中的真实动态，为重新定义电极“稳定性”的内涵和构建更具自适应性的储能体系奠定了基础。
导图2：电池电极在应变累积过程中发生化学–力学降解的演化示意图。
图文解析
为了追踪这种看不见的“呼吸”过程，研究团队在不同长度尺度上展开系统实验，从单颗粒的运动，到电极整体的形变，再到晶粒级别的化学–力学耦合演化，构建了一个跨尺度、跨方法的观察体系。
研究首先在自制的毛细管自由电极装置中利用同步辐射原位透射X射线显微技术（TXM）观察到，电极中的活性颗粒在充电早期就出现明显的相对运动。图1展示了两个标记颗粒P1与P2的典型行为，它们在反应过程中逐渐靠近，并伴随充电态（SOC）的趋同。通过光流分析提取的速度场显示颗粒既发生平移又伴随旋转，表明局部应变场在不断重构。更重要的是，当两颗粒接触后，其局部SOC差异迅速减小，揭示出物理接触诱发的电荷再分布与应力释放过程。这一现象直接证明了机械相互作用能够调节电化学反应的均匀性，为理解多颗粒系统中的自组织行为提供了实验依据。
图1. 自由电极中的颗粒簇应变、颗粒运动及颗粒间电荷传递。(A)自主设计的毛细管自由电极装置示意图。(B)颗粒运动的光流分析结果。(C)局部速度角分布的定量分析显示，颗粒P1与P2在充电过程中相互靠近。(D)透射X射线显微（TXM）XANES映射揭示了颗粒间电荷状态（SOC）不均匀性的演化过程。(E)颗粒间SOC不均匀性的定量结果。
研究进一步通过三维原位X射线层析成像（laminography）观察压实电极在充放电过程中的整体结构演化。图2展示了单层软包电池在充电时电极层的实时形变过程，可以看到电极表面逐渐出现不均匀的起伏和褶皱，表明内在应变正在跨尺度地传递与积累。速度场分布显示出明显的空间非均匀性：多数区域缓慢蠕动，而部分颗粒则突然以远高于平均速率的速度移动，表现出随机且瞬时的“跃迁”行为。这种现象在不同材料体系（如NMC与LMR）和不同电池结构（软包、圆柱等）中均可复现，说明它是一种普适的力学响应。
图2. 压实软包电池的原位层析成像结果。(A)用于层析成像的软包电池结构示意图。(B)通过层析成像在电极中心区域获得的三维重建体积图。(C)从(B)中随机选取区域放大的代表性虚拟切片，展示了成像的高质量和精确的颗粒分割效果。(D)通过光流分析可视化的电极形变分布。(E)感兴趣区域内电极形变量的空间分布。(F)电极形变场中平面内和垂直方向分量的概率分布。(G)与(H)分别给出了大颗粒和小颗粒在平面内与垂直方向运动的联合分布的核密度估计结果。
为了验证这种快速位移的真实性，研究人员利用带透明窗口的光学原位电化学池进行了同步观测，清晰地记录到这些随机出现的颗粒跳动事件（如图3）。不同技术平台所得的结果高度一致，表明电极形变并非外部效应或伪影，而是源于电化学反应中应力的非同步传导与局部释放。这一跨尺度观察首次完整揭示了由颗粒间相互作用到电极整体起皱的应变演化路径，为理解电极结构在运行中的真实动力学提供了直接证据。
图3. 随机出现且分布稀疏的快速运动正极颗粒。(A)自由电极中感兴趣区域的光流场分布。(B)选定区域内颗粒位移幅度的空间分布。(C)颗粒位移幅度的概率分布。
(D)通过原位光学显微镜观察到的局部颗粒旋转现象。(E)在不同时间发生的不规则颗粒运动。(F)基于事件触发模型检测到的颗粒运动结果。(G)光学显微镜捕捉到的颗粒运动角度与幅度分布。
为了探究这些复杂形变的微观来源，研究团队利用同步辐射单晶粒分辨X射线衍射技术，对电极在充放电过程中的晶体取向变化与电化学反应进行了同步追踪。图4展示了数百个衍射斑点在循环过程中的轨迹演化，每一个轨迹都代表一个独立晶粒的力学响应。分析结果揭示出三类截然不同的行为：一部分晶粒在锂离子嵌入脱嵌的同时发生明显旋转，表现为化学反应与机械运动的强耦合；另一部分晶粒几乎不参与反应，却仍然被迫发生旋转或位移，说明应力通过颗粒间网络进行远程传递；还有部分晶粒则仅参与化学过程而保持几乎静止。统计结果显示，这三类晶粒在空间中相互交织，构成了一个复杂的化学–力学层级结构。研究由此提出“应变瀑布”机制：电化学活跃晶粒在充放电中产生各向异性的体积变化，成为局部应力源，这些应力沿颗粒间的接触界面逐级传播，驱动周围非活性区域发生形变，最终导致整个电极的结构重排。这种化学与力学的不同步耦合解释了为何即使电化学过程可逆，电极结构仍会逐步疲劳。该结果揭示了电极内部隐藏的“力学通信网络”，指出真正决定寿命的，不仅是化学反应的可逆性，更是应力在微观世界中如何传递与释放。
图4. 不同正极区域中化学插层/脱层与物理旋转的耦合与解耦合。(A)基于同步辐射的单晶粒分辨X射线衍射实验示意图。(B-D)在循环过程中具有不同化学–力学行为的代表性布拉格衍射峰。图像由两帧连续采集的衍射图样差分叠加而成，其中Ti对应蓝色斑点，Ti+1对应红色斑点，相邻时间间隔为10分钟。(E)所有捕获到的布拉格衍射峰的η参数直方图。(F)布拉格峰位移的散点分布图，区分了物理旋转与化学插层/脱层的贡献。红色表示化学与力学强耦合类型（C⃗–P⃗互耦合），绿色表示以力学旋转为主导，蓝色表示以化学反应为主导。
总结与展望
本研究通过跨尺度原位成像与多物理场建模，揭示了插层型电极在运行过程中并非静止结构，而是一个不断“呼吸”的材料体系。从单颗粒的细微旋转到电极整体的起伏变化，从晶粒间的电荷再分布到应力的层层传导，研究呈现出化学反应与力学响应交织的完整图景。这一发现说明即使在化学过程高度可逆的体系中，力学异步与应力积累仍会不断重塑结构，最终影响寿命与安全性。未来的电极设计需要超越单纯的化学优化，转向结构与力学的协同调控。通过引入具有柔性界面的复合结构、分级孔隙或具自调节能力的晶格，可以让电极在每一次充放电中自适应地释放和吸收应力，实现更高的稳定性与循环寿命。真正的目标是让这种“呼吸”从被动现象转变为可被设计和利用的功能，使电极在化学与力学之间达到新的平衡，迈向具备生命韧性的能源体系。
成果贡献
美国德克萨斯大学奥斯汀分校为论文第一通讯单位，美国德克萨斯大学奥斯汀分校孙天啸为第一作者，美国德克萨斯大学奥斯汀分校钱冠男和美国东北大学方儒卿为共同第一作者。美国德克萨斯大学奥斯汀分校Yijin Liu教授为第一通讯作者，美国东北大学Juner Zhu教授为共同通讯作者。美国斯坦福大学William C. Chueh教授、美国阿贡国家实验室Jason R. Croy研究员和美国德克萨斯大学奥斯汀分校Guihua Yu教授等也做出了重要贡献。
作者介绍
孙天啸，于中国科学院上海应用物理研究所（上海光源）在邰仁忠研究员指导下进行硕博连读，并获得博士学位。此后在德国亥姆霍兹联合会—柏林材料与能源中心（德国Bessy II光源）和美国德克萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究。研究方向为大学科学装置智能控制系统开发、同步辐射谱学成像、先进电池材料、数据智能分析。现受聘为中国科学院上海高等研究院研究员。近五年来，发表文章35篇，其中以第一/通讯（含共同）发表论文16篇，包括Science，J. Am. Chem. Soc.，ACS nano，Nature Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊。
钱冠男，博士于上海交通大学从事先进电池材料研究，后在德克萨斯大学奥斯汀分校任博士后，持续推进电池材料在实际工况下的结构演化与性能关联研究。在Science、Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、PNAS等学术期刊发表论文20余篇，授权发明专利 20 余项，受邀担任 Sci. Adv.、Nat. Commun.等期刊审稿人，以及SSRL、CLS等同步辐射光源机时项目评审，研究成果被 AAAS EurekAlert!、Yahoo Tech.、BNL、ESRF、UT Austin、上海交通大学、中信证券、华泰证券等多家机构引用或报道。
方儒卿，于2018年和2023年于清华大学分别获得学士和博士学位，后在2023年～2025年间于美国东北大学Juner Zhu团队进行博士后研究，研究方向包括电池多物理场建模、电池非侵入式表征技术开发。目前就职于宁德时代21C创新实验室
Juner Zhu，于2022年8月加入美国东北大学机械与工业工程系，担任助理教授。在此之前，他在麻省理工学院（MIT）机械工程和化学工程系担任Research Scientist，并于2019年在MIT获得博士学位。
在 MIT 工作期间，Juner共同推动并负责管理2020–2022年的MIT工业电池联盟，担任执行主任，与来自电动汽车、电池和电子行业的八家全球领先企业合作开展研究。他的本科和硕士均就读于清华大学，并在2014–2015年获得清华研究生最高荣誉——研究生特等奖学金。
目前，Juner在东北大学伯灵顿创新园区领导电化学-力学（电池可持续性）实验室。他的团队致力于将数据驱动方法与物理模型相结合，解决复杂工程系统中的关键科学问题，研究重点包括锂离子电池、固态电池和锂金属负极等方向。
Yijin Liu，分别于2004年和2009年在中国科学技术大学（USTC）物理系获得光学专业学士和博士学位。2009年，他赴美国斯坦福大学开展博士后研究；此后加入SLAC国家加速器实验室，先后担任副科研人员（2012）、科研人员（2015）以及首席科学家（2020）。2023年8月，Yijin加入德州大学奥斯汀分校（UT Austin）机械工程系，任副教授。
在国家实验室工作的十余年间，他负责领导 SLAC/Stanford 的透射 X 射线显微成像（TXM）技术发展及其科学应用。他在该领域深耕超过15年，推动了多项X射线表征方法的研制与应用，研究覆盖可再生能源材料、工业催化、油气开采以及极端条件材料科学等方向。
近年，Yijin将研究重点进一步拓展至能源存储材料，通过高通量实验结合机器学习与数据挖掘方法开展前沿探索，重点关注电池制造、安全性、老化机制及失效分析等关键科学与工程问题。
