在新能源汽車與儲能設備快速發展的當下，軟包電池憑借其高能量密度、靈活設計等優勢成為主流選擇。然而，極端溫度環境（如-20℃的低溫或50℃的高溫）會顯著影響電池的充放電效率、循環壽命及安全性。傳統非原位XRD技術因無法捕捉動態結構變化，難以揭示電池在極端條件下的真實衰減機制。原位XRD技術通過實時監測電池充放電過程中的晶體結構演變，為破解這一難題提供了關鍵工具。

一、極端溫度對軟包電池的挑戰與原位XRD的核心價值

極端溫度通過改變電極材料的離子遷移速率、界面穩定性及相變行為，直接威脅電池性能。例如，低溫下鋰離子在石墨負極中的嵌入阻力增加，易引發鋰枝晶生長；高溫則加速電解液分解，導致正極材料結構坍塌。傳統非原位XRD需拆解電池進行測試，不僅破壞原始狀態，還因不同極片間的物理差異導致數據可比性差。原位XRD技術通過同步監測同一材料在充放電循環中的動態結構變化，可精準捕捉物相轉變、晶格參數波動等關鍵信息，為優化電池設計提供理論依據。

二、原位XRD技術原理與實驗設計

原位XRD通過透射或反射模式實現電池材料的實時監測。以西北工業大學團隊的研究為例，其采用透射模式XRD系統，將軟包電池置于開有Kapton膜視窗的裝置中，配合高低溫環境控制系統，實現-20℃至80℃寬溫域下的結構演化分析。實驗中，鉬靶（Mo Kα）替代傳統銅靶，顯著減少X射線吸收，提升信號強度；EIGER2 R 500K探測器通過厚硅傳感器優化電荷共享效應，降低背景噪聲，確保數據精度。

三、極端溫度下的結構演化案例解析

1. 低溫環境下的鋰沉積與界面重構

北京航空航天大學團隊通過原位XRD發現，在-20℃低溫下，石墨負極的鋰嵌入過程受阻，導致鋰離子在表面沉積形成枝晶。原位XRD圖譜顯示，隨著充電深度增加，石墨（002）峰強度逐漸減弱，同時出現鋰金屬的（110）衍射峰，表明鋰沉積開始。進一步結合電化學阻抗譜（EIS）分析，發現鋰沉積導致負極傳荷阻抗（Rct）呈三階段變化：初始嵌鋰階段（Rct線性下降）、鋰成核與核長大階段（Rct加速下降）、枝晶生長階段（Rct出現平臺）。這一發現為抑制低溫析鋰提供了新思路，例如通過MXene納米片構筑“三明治”異質結構，可顯著提升鋰離子傳輸速率，減少枝晶形成。

2. 高溫環境下的正極結構失穩

加利福尼亞大學圣地亞哥分校團隊在50℃高溫下測試軟包電池時，原位XRD揭示了高鎳三元正極（NMC）的晶格參數動態變化。充電過程中，NMC的a軸晶格參數因過渡金屬氧化狀態升高而收縮，c軸參數則因O-O靜電斥力先擴張后收縮（當電壓>4V時，氧向過渡金屬轉移電荷，減少斥力）。這種非對稱變化導致NMC顆粒內部產生應力，長期循環后引發微裂紋，加速容量衰減。研究團隊通過開發二丁基醚基電解液，有效抑制了高溫下NMC與電解液的副反應，將電池循環壽命提升至1200次以上。

四、原位XRD技術的未來展望

隨著同步輻射光源與高分辨率探測器的普及，原位XRD技術正朝著更高時間分辨率（毫秒級）與空間分辨率（微區級）發展。例如，結合機器學習算法，可實現多維度數據（晶格參數、相組成、應力分布）的實時關聯分析，精準預測電池衰減路徑。此外，原位XRD與原位拉曼、原位TEM等技術的聯用，將進一步揭示電池材料在極端溫度下的多尺度結構演化機制，為開發下一代高安全、長壽命電池提供技術支撐。

原位XRD技術通過“透視”電池在極端溫度下的結構演化，不僅揭示了性能衰減的根源，更為材料改性與電池設計提供了科學依據。隨著技術的持續突破，這一工具將在新能源領域發揮更大價值，推動電動汽車與儲能設備向更高效、更可靠的方向邁進。