中子技術(shù)“看透”鋰！我國科學(xué)家突破全固態(tài)鋰電池關(guān)鍵難題

全固態(tài)鋰電池被譽(yù)為“下一代能源革命”技術(shù)，其從根本上杜絕了傳統(tǒng)鋰電池可能出現(xiàn)的泄露、起火等風(fēng)險(xiǎn)，安全性顯著提升。但其商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多“攔路虎”，比如循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度提升等。要解決上述問題，需深入理解電極內(nèi)部反應(yīng)機(jī)制。然而，鋰元素的“可視化”檢測(cè)一直是行業(yè)痛點(diǎn)，這正是制約全固態(tài)鋰電池性能提升的關(guān)鍵。

近日，中核集團(tuán)中國原子能科學(xué)研究院與清華大學(xué)深圳國際研究生院依托中國先進(jìn)研究堆，利用中子深度剖面分析（Neutron Depth Profiling, NDP）技術(shù)，精準(zhǔn)揭示了全固態(tài)鋰電池傳統(tǒng)單層正極（CC）的關(guān)鍵缺陷，首次通過實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)并定量證實(shí)了顯著的縱向鋰濃度梯度，在電極厚度方向上實(shí)現(xiàn)了鋰濃度的均勻分布，為梯度電極核心設(shè)計(jì)工作提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為推動(dòng)全固態(tài)鋰電池基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知及其工程化應(yīng)用作出重要貢獻(xiàn)。

該研究成果發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《Energy & Environmental Science》（《能源與環(huán)境科學(xué)》，影響因子30.8）。論文作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院博士生梁俊威、大灣區(qū)大學(xué)助理教授錢坤、原子能院核物理研究所研究員肖才錦等，通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院教授柳明。

▲（a）固態(tài)電池正極利用中子深度剖面分析技術(shù)測(cè)量示意圖（b）傳統(tǒng)單層正極和新型電荷轉(zhuǎn)移優(yōu)化正極利用中子深度剖面分析技術(shù)獲得的鋰濃度分布曲線對(duì)比

中子深度剖面分析技術(shù)是一種先進(jìn)的核分析技術(shù)，是中子活化分析技術(shù)的分支，可以利用中子束“透視”材料內(nèi)部，就像做一次“無損的CT掃描”。由于中子對(duì)鋰元素這類輕元素極其敏銳，整個(gè)“掃描”過程具有高靈敏、高分辨、無損等特點(diǎn)，所以在開展對(duì)空氣/水分敏感的電池材料研究時(shí)，中子深度剖面分析技術(shù)展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢(shì)。它能追蹤鋰離子在電池充放電時(shí)的傳輸過程，就像為鋰電池研發(fā)裝上了“透視鋰分布的慧眼”，為優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、提升電池性能提供精準(zhǔn)“導(dǎo)航”。

▲中子深度剖面分析裝置圖

十多年來，原子能院核物理所活化分析研究團(tuán)隊(duì)一直緊跟中子深度剖面分析技術(shù)，在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，團(tuán)隊(duì)依托中國先進(jìn)研究堆，研發(fā)出國際領(lǐng)先的中子深度剖面分析裝置和技術(shù)方法，為我國核工業(yè)發(fā)展，以及半導(dǎo)體、鋰電池等領(lǐng)域科技創(chuàng)新提供了先進(jìn)的分析測(cè)試方法。