在北京大學(xué)深圳研究生院潘鋒課題組、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院BT1中子衍射儀黃清鎮(zhèn)，以及中國(guó)散裂中子源通用粉末衍射譜儀何倫華課題組的共同努力下，中國(guó)散裂中子源(CSNS)的第一篇用戶(hù)實(shí)驗(yàn)科學(xué)成果文章于4月17日在Nano Energy雜志上線(xiàn)，該研究在鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)特性和形成機(jī)理方面取得新進(jìn)展。

鋰離子電池作為新一代電池，具有重量輕、比能量高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛。在所有的鋰離子電池正極材料中，含有過(guò)渡金屬鎳、錳和鈷的三元層狀氧化物材料是非常具有應(yīng)用前景的正極材料。然而，該類(lèi)材料普遍存在影響材料充放電性能的鋰鎳反位結(jié)構(gòu)缺陷，X射線(xiàn)衍射等實(shí)驗(yàn)方法難以對(duì)這種結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行精確確定。

利用中子對(duì)鋰原子和鎳錳鈷過(guò)渡金屬原子均非常敏感的特性，中國(guó)散裂中子源與北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院合作組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在CSNS通用粉末衍射譜儀和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的BT1中子衍射儀上對(duì)一系列三元材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的表征，建立了三元材料體系中反位缺陷隨過(guò)渡金屬組分的變化規(guī)律，提出了材料中鋰鎳反位與三角晶格阻挫結(jié)構(gòu)特征之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的觀點(diǎn)，并從這一新穎的角度對(duì)鋰鎳反位缺陷結(jié)構(gòu)的形成做了自洽的解釋。這些重要結(jié)果有助于進(jìn)一步澄清該類(lèi)型電池材料中缺陷結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對(duì)三元鋰離子電池正極材料的開(kāi)發(fā)有直接的指導(dǎo)作用。該研究成果發(fā)表于國(guó)際期刊Nano Energy(Nano Energy，2018, in Press)。中國(guó)散裂中子源副研究員何倫華、北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院副教授肖蔭果和教授潘鋒為該文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到國(guó)家材料基因重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助支持。

位于廣東東莞的中國(guó)散裂中子源是我國(guó)“十一五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國(guó)第一個(gè)脈沖式散裂中子源。CSNS于2017年8月首次打靶成功并獲得中子束流，11月達(dá)到打靶束流功率的驗(yàn)收指標(biāo)，并于2018年3月25日通過(guò)了工藝鑒定和驗(yàn)收。該項(xiàng)工作的部分中子衍射實(shí)驗(yàn)依托CSNS通用粉末衍射譜儀完成，是CSNS建成以來(lái)的第一篇科學(xué)研究文章。CSNS通過(guò)工藝鑒定和驗(yàn)收后，迅速獲得高水平的物理成果，充分表明CSNS已經(jīng)成為我國(guó)中子散射研究和應(yīng)用最先進(jìn)的平臺(tái)，具有十分重要的意義。

論文鏈接

(a) 三元層狀正極材料的晶體結(jié)構(gòu)，(b-d) 不同組分正極材料的高分辨中子衍射譜，(e)三元材料中不同組分與鋰鎳反位量之間的關(guān)系。

三元層狀正極材料中的鋰鎳反位缺陷和過(guò)渡金屬原子組成的三角晶格結(jié)構(gòu)單元。

材料的局域結(jié)構(gòu)由于鋰鎳反位的出現(xiàn)而發(fā)生改變，同時(shí)材料的磁阻挫通過(guò)不同的途徑得到舒緩。