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)的第一篇用戶實(shí)驗(yàn)科學(xué)成果文章于4月17日在Nano Energy雜志上線，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建成以來的第一篇科學(xué)研究文章。CSNS通過工藝鑒定和驗(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)材料的磁阻挫通過不同的途徑得到舒緩。