在新能源汽车与储能设备快速发展的当下，软包电池凭借其高能量密度、灵活设计等优势成为主流选择。然而，极端温度环境（如-20℃的低温或50℃的高温）会显著影响电池的充放电效率、循环寿命及安全性。传统非原位XRD技术因无法捕捉动态结构变化，难以揭示电池在极端条件下的真实衰减机制。原位XRD技术通过实时监测电池充放电过程中的晶体结构演变，为破解这一难题提供了关键工具。

一、极端温度对软包电池的挑战与原位XRD的核心价值

极端温度通过改变电极材料的离子迁移速率、界面稳定性及相变行为，直接威胁电池性能。例如，低温下锂离子在石墨负极中的嵌入阻力增加，易引发锂枝晶生长；高温则加速电解液分解，导致正极材料结构坍塌。传统非原位XRD需拆解电池进行测试，不仅破坏原始状态，还因不同极片间的物理差异导致数据可比性差。原位XRD技术通过同步监测同一材料在充放电循环中的动态结构变化，可精准捕捉物相转变、晶格参数波动等关键信息，为优化电池设计提供理论依据。

二、原位XRD技术原理与实验设计

原位XRD通过透射或反射模式实现电池材料的实时监测。以西北工业大学团队的研究为例，其采用透射模式XRD系统，将软包电池置于开有Kapton膜视窗的装置中，配合高低温环境控制系统，实现-20℃至80℃宽温域下的结构演化分析。实验中，钼靶（Mo Kα）替代传统铜靶，显著减少X射线吸收，提升信号强度；EIGER2 R 500K探测器通过厚硅传感器优化电荷共享效应，降低背景噪声，确保数据精度。

三、极端温度下的结构演化案例解析

1. 低温环境下的锂沉积与界面重构

北京航空航天大学团队通过原位XRD发现，在-20℃低温下，石墨负极的锂嵌入过程受阻，导致锂离子在表面沉积形成枝晶。原位XRD图谱显示，随着充电深度增加，石墨（002）峰强度逐渐减弱，同时出现锂金属的（110）衍射峰，表明锂沉积开始。进一步结合电化学阻抗谱（EIS）分析，发现锂沉积导致负极传荷阻抗（Rct）呈三阶段变化：初始嵌锂阶段（Rct线性下降）、锂成核与核长大阶段（Rct加速下降）、枝晶生长阶段（Rct出现平台）。这一发现为抑制低温析锂提供了新思路，例如通过MXene纳米片构筑“三明治”异质结构，可显著提升锂离子传输速率，减少枝晶形成。

2. 高温环境下的正极结构失稳

加利福尼亚大学圣地亚哥分校团队在50℃高温下测试软包电池时，原位XRD揭示了高镍三元正极（NMC）的晶格参数动态变化。充电过程中，NMC的a轴晶格参数因过渡金属氧化状态升高而收缩，c轴参数则因O-O静电斥力先扩张后收缩（当电压>4V时，氧向过渡金属转移电荷，减少斥力）。这种非对称变化导致NMC颗粒内部产生应力，长期循环后引发微裂纹，加速容量衰减。研究团队通过开发二丁基醚基电解液，有效抑制了高温下NMC与电解液的副反应，将电池循环寿命提升至1200次以上。

四、原位XRD技术的未来展望

随着同步辐射光源与高分辨率探测器的普及，原位XRD技术正朝着更高时间分辨率（毫秒级）与空间分辨率（微区级）发展。例如，结合机器学习算法，可实现多维度数据（晶格参数、相组成、应力分布）的实时关联分析，精准预测电池衰减路径。此外，原位XRD与原位拉曼、原位TEM等技术的联用，将进一步揭示电池材料在极端温度下的多尺度结构演化机制，为开发下一代高安全、长寿命电池提供技术支撑。

原位XRD技术通过“透视”电池在极端温度下的结构演化，不仅揭示了性能衰减的根源，更为材料改性与电池设计提供了科学依据。随着技术的持续突破，这一工具将在新能源领域发挥更大价值，推动电动汽车与储能设备向更高效、更可靠的方向迈进。