NCM811（LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂）作为高能量密度锂电池正极材料的代表，凭借单电芯能量密度突破 300 Wh/kg 的优势，成为新能源汽车、储能系统的核心选择。然而其在实际应用中面临关键瓶颈：变温环境下（尤其是 - 20℃至 60℃的宽温度区间），负极易发生金属锂析出（析锂）现象 —— 低温时 Li⁺扩散速率骤降导致电荷堆积，高温时 SEI 膜稳定性下降引发副反应，均会造成电池容量衰减、内阻升高，甚至引发热失控风险。传统离线表征手段（如事后 XRD、电镜观察）无法捕捉析锂的动态演化过程，而原位 X 射线衍射（in-situ XRD）技术通过 “电化学 - 变温 - 物相分析” 的实时联动，首次实现了 NCM811 锂电池变温析锂行为的原子级追踪，为破解其安全与寿命难题提供了关键科学依据。

技术适配：原位 XRD 变温研究系统的设计核心

针对 NCM811 锂电池的测试需求，原位 XRD 系统需突破 “变温控制 - 电化学兼容 - X 射线穿透” 三大技术壁垒，构建专属研究平台。其一，变温电化学原位样品池设计。样品池采用 “聚酰亚胺薄膜（PI 膜）封装 + 铜 / 铝集流体引出” 结构：PI 膜厚度仅 25μm，X 射线透过率达 85% 以上，同时耐受 - 40℃至 100℃的宽温范围；内部预留电解液注液通道，确保电池在变温过程中维持稳定的充放电性能（电压范围 3.0-4.3V，与实际应用一致）；样品池紧贴高精度控温模块（采用半导体制冷 + 电阻加热双模式），温度控制精度达 ±0.5℃，升温 / 降温速率可设为 1-5℃/min，模拟电池从低温启动到高温运行的动态温度变化。

其二，XRD 测试参数的优化匹配。选用 Cu Kα 射线（波长 λ=1.5406 Å）作为激发源，扫描范围 2θ=10°-80°，覆盖 NCM811 正极（特征峰 2θ=18.7°、37.5°）、石墨负极（002 面特征峰 2θ=26.5°）及金属 Li（特征峰 2θ=36.6°）的关键物相峰；采用 “步进扫描 + 快速采集” 模式，单次扫描时间缩短至 5 分钟 / 次，既能捕捉析锂的瞬时信号，又避免长时间测试导致的电池性能衰减；数据处理时通过 Rietveld 精修算法，定量分析不同温度下 NCM811 的晶胞参数变化（如 c 轴膨胀率）、石墨的层间距（d₀₀₂）及金属 Li 特征峰的积分强度，建立物相变化与析锂行为的量化关联。

其三，多信号同步采集策略。系统集成电化学工作站与温度传感器，实现 “XRD 物相监测 - 充放电曲线记录 - 温度变化追踪” 的三信号同步：充放电过程中实时记录电压 - 容量曲线，标记不同 SOC（State of Charge）对应的 XRD 扫描节点；温度传感器嵌入样品池内部，精准反馈测试过程中的实际温度（避免环境温度与电池本体温度偏差），确保析锂行为与温度条件的一一对应，例如低温下电压平台偏移时，可同步观察到金属 Li 特征峰的出现。

核心研究发现：变温区间的析锂行为差异与机制

基于原位 XRD 系统的实时监测，NCM811 锂电池在不同温度区间的析锂行为呈现显著差异，其核心机制可通过物相演化规律清晰揭示。

1.低温区间（-20℃至 0℃）：析锂易发性与滞后性

低温下，原位 XRD 观察到两大关键现象：一是 Li⁺嵌入 / 脱出的物相响应滞后 ——NCM811 正极的 2θ=37.5° 特征峰（对应 Li⁺脱出时的晶胞收缩）在充电过程中偏移速率较常温慢 30%，石墨负极 002 面特征峰（Li⁺嵌入时层间距增大，2θ 向低角度偏移）的变化同样延迟，表明低温显著抑制 Li⁺在正负极间的扩散效率；二是金属 Li 特征峰（2θ=36.6°）提前出现 —— 当温度降至 - 20℃、SOC（充电状态）仅达 50% 时，即可检测到该特征峰，且峰强度随 SOC 升高而线性增强（积分强度从 500 a.u. 升至 2000 a.u.），说明低温下负极表面易发生 Li⁺堆积，未及时嵌入石墨层的 Li⁺优先还原为金属 Li。进一步分析发现，此时 SEI 膜的阻抗（通过同步 EIS 测试）较常温升高 2-3 倍，加剧了电荷转移阻力，形成 “Li⁺扩散慢 - 阻抗高 - 析锂” 的恶性循环。

2.常温区间（25℃）：高倍率下的隐性析锂

常温下，常规倍率（0.5C）充电时，原位 XRD 未检测到金属 Li 特征峰，NCM811 与石墨的物相变化同步且完整 —— 充电至 100% SOC 时，NCM811 的 c 轴膨胀率控制在 4.2%（正常范围），石墨 002 面 2θ 稳定在 25.9°（对应 LiC₆物相），表明 Li⁺嵌入 / 脱出过程顺畅。但当倍率提升至 2C 时，SOC=80% 后开始出现微弱的金属 Li 特征峰（积分强度约 300 a.u.），且伴随石墨物相变化的轻微滞后，说明常温高倍率下，Li⁺在负极表面的吸附速率超过嵌入速率，仍存在隐性析锂风险，这一现象通过传统离线 XRD 难以捕捉，需依赖原位技术的实时监测。

3.高温区间（40℃至 60℃）：析锂与副反应耦合

高温下，析锂行为呈现 “副反应主导” 的特征：原位 XRD 显示，40℃以上充电时，除金属 Li 特征峰（2θ=36.6°）外，还出现 SEI 膜分解的特征峰（如 Li₂CO₃的 2θ=31.2° 峰强度下降）；当温度升至 60℃、SOC=70% 时，金属 Li 特征峰强度骤增（达 2500 a.u.），同时 NCM811 的 2θ=18.7° 特征峰出现分裂，表明正极结构稳定性下降，释放的过渡金属离子（如 Ni³⁺）与电解液反应，进一步加剧负极析锂。这一发现揭示高温下析锂并非单纯的 Li⁺堆积，而是与 SEI 膜失效、正极结构劣化的耦合过程，为高温电池安全设计提供了新认知。

技术价值与应用方向

该研究通过原位 XRD 技术，首次建立了 NCM811 锂电池 “温度 - SOC - 物相 - 析锂” 的四维关联模型，其技术价值体现在三方面：一是为电池材料优化提供直接依据，例如针对低温析锂，可通过负极表面包覆 Al₂O₃提升 Li⁺扩散速率（实验显示包覆后 - 20℃下析锂起始 SOC 从 50% 提升至 75%）；二是指导电解液配方调整，如加入氟代碳酸乙烯酯（FEC）添加剂，高温下可抑制 SEI 膜分解，使 60℃时金属 Li 特征峰强度降低 40%；三是优化充电策略，基于原位 XRD 发现的析锂起始 SOC，可制定 “低温慢充（0.2C）、常温常规充（0.5C）、高温分段充” 的智能充电方案，避免析锂发生。

相较于传统表征手段，原位 XRD 的独特优势在于 “动态可视化”—— 不仅能判断是否析锂，还能量化析锂量（通过特征峰积分强度）、追溯析锂诱因（物相变化滞后或副反应），为锂电池从 “经验设计” 向 “机理驱动设计” 转型提供关键技术支撑。

未来展望

后续研究可向三方向拓展：一是拓展温度边界，探索 - 40℃极低温与 80℃高温下的析锂行为，覆盖极端应用场景；二是多技术联用，将原位 XRD 与原位拉曼光谱（监测 SEI 膜成分）、原位透射电镜（观察微观结构）结合，实现 “物相 - 成分 - 结构” 的多维度分析；三是长期循环研究，通过原位 XRD 追踪 1000 次循环后变温析锂的演化规律，为电池寿命预测提供数据支持。

综上，基于原位 X 射线衍射的 NCM811 锂电池变温析锂研究，不仅揭示了不同温度下析锂的核心机制，更搭建了 “基础研究 - 技术优化 - 应用落地” 的桥梁，对推动高能量密度锂电池的安全化、长寿命化发展具有重要意义。