半个世纪来发达国家的重大原始科学发现和科技创新有赖于大科学装置（同步辐射光源和散裂中子源）的建设和应用。与同步辐射X-射线不同，中子对轻质量的元素(如氢原子和锂原子)、电子数相近金属（如锰钴镍等过渡金属）和磁性都非常敏感，是一种独特的探针，并对新能源、电子信息（磁性和超导材料）、航空航天和生物医学等材料的研究具有特殊的重要性。我国在“十一五”期间作出重要的部署，由国家与广东省联合在东莞建设中国散裂中子源(CSNS)大科学装置，目标是建设具有国际先进水平的我国第一个脉冲式中子源，北大校友陈和生院士是该大科学装置的总负责人，在他的领导和团队的共同努力下，经过十多年的艰苦创业，中国散裂中子源于2017年8月首次打靶成功并获得中子束流，11月达到打靶束流功率的验收指标，并于2018年3月通过了工艺鉴定和验收。

       北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导清洁能源和材料基因组研究团队与北大校友陈和生院士领导的中国散裂中子源团队紧密合作，近日在国际材料与能源领域顶级期刊Nano Energy （Nano Energy，2018, doi：j.nanoen.2018.04.020，影响因子为12.34）发表中国散裂中子源建成以来的第一篇应用于科学研究的文章，该工作是将中子源通过中国散裂源团队自主建设的通用中子衍射仪（GPPD）应用于锂电池材料的微观结构及相关机理的研究。

       建成世界一流的中国散裂中子源大科学装置及发表应用于科学研究首篇论文是北大人共同协作对中国重大科技创新的一份北大贡献，也是向母校120周年献上的一份科研创新礼物。

       锂离子电池作为新一代储能电池具有重量轻、比能量高、使用寿命长等特点，被广泛应用于电动车、消费电子、工业储能等。在所有的锂离子电池正极材料中，含有过渡金属镍、锰和钴的三元层状氧化物正在被用作电动车动力电池和手机电池的正极材料。然而，该类材料中普遍存在影响材料充放电性能的锂镍反位结构缺陷。X射线衍射等常规实验方法难以对这种微量结构缺陷进行精确确定。

图 1. (a) 三元层状正极材料的晶体结构，(b-d) 不同组分正极材料的高分辨中子衍射谱，(e)三元材料中不同组分与锂镍反位量之间的关系。

       研究团队在中国散裂中子源(CSNS)自主建设的通用中子衍射仪（GPPD）和美国国家标准与技术研究院(NIST)的BT1中子衍射仪上对一系列锂电池三元正极材料的晶体结构进行了精确的表征。基于中子衍射实验结果，研究团队建立了三元材料体系中反位缺陷随过渡金属组分的变化规律，首次提出了材料中锂镍反位与三角晶格阻挫结构特征之间存在关联关系的观点，并从这一新颖的角度对锂镍反位缺陷结构的形成做了自洽的解释。这些重要结果有助于进一步澄清材料中缺陷结构与电池材料性能之间的关系，并且在对三元锂离子电池正极材料的开发过程中起到直接的指导作用。

图 2. 三元层状正极材料中的锂镍反位缺陷和过渡金属原子组成的三角晶格结构单元。材料的局域结构由于锂镍反位的出现而发生改变，同时材料的磁阻挫通过不同的途径得到舒缓。

       该研究工作是由北京大学深圳研究生院新材料学院的潘锋教授领衔清洁能源与材料基因组团队与陈和生院士领衔的中国散裂中子源团队及美国国家标准与技术研究院的黄清镇研究员合作完成。北大新材料学院潘锋教授和肖荫果副教授以及中国散裂中子源何伦华研究员为该文的共同通讯作者。该项工作致谢国家材料基因重大专项、国家自然科学基金和广东省创新团队的资助支持及中科院物理所沈宝根院士的帮助和指导。

文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518302507