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【進展】金屬所等揭示電化學反應驅動的原子尺度位錯動力學

2025-01-15 11:53:20 作者：中國科學院金屬研究所來源：中國科學院金屬研究所分享至：

位錯是晶體材料中最重要的拓撲缺陷之一。對于具有良好延展性的金屬材料，位錯是其塑性變形的主要載體，是決定其力學性能的關鍵；相比之下，具有本征脆性的陶瓷材料的塑性變形能力有限，一般并不涉及大量的位錯行為（多表現為脆斷）。與傳統陶瓷材料在服役過程中主要承受機械應力的應用場景不同，層狀氧化物（電動汽車中應用最為廣泛的一類正極材料）在服役條件下承受的是多物理場（電、化學、力、熱等）耦合作用下的氧化還原反應。在循環往復的電化學反應過程中，層狀氧化物不僅會發生復雜相變，同時還伴隨元素價態變化、物質遷移與損失、和非均勻電化學應力作用，從而導致大量缺陷（如空位和位錯）的生成，進而對層狀氧化物正極材料的結構退化和電化學性能衰減產生重要影響。

近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心王春陽研究員聯合加州大學爾灣分校忻獲麟教授、麻省理工學院李巨教授，在電化學反應驅動的拓撲缺陷演化研究方面取得重大突破，利用原位透射電鏡技術首次在原子尺度揭示了電池電化學反應驅動的位錯形核、運動、湮滅動力學，并闡明了位錯誘導的鋰電層狀氧化物正極材料的結構退化機制。研究成果以 “Resolving electrochemically triggered topological defect dynamics and structural degradation in layered oxides”為題發表于《美國科學院院刊》（PNAS）。材料結構與缺陷研究部王春陽研究員為論文第一作者兼共同通訊作者。

研究表明，電化學反應的本征不均勻性會在層狀氧化物中引入非均勻晶格畸變，從而在納米尺度誘發位錯的大量生成和非平衡動態演化（包括形核、運動、湮滅等）。位錯動力學的原子尺度原位監測結果表明，層狀氧化物中電化學反應驅動的位錯攀移與滑移速度在同一數量級，這與結構金屬、陶瓷材料中應力驅動的位錯滑移速度要遠高于攀移速度（一般相差幾個數量級）的傳統認識迥然不同。此外，該研究還揭示了位錯核心誘發的裂紋—巖鹽相同步形核機制以及位錯爆發—湮滅（burst-annihilation）誘導的局部取向變化行為。總而言之，該研究通過對電化學反應驅動的拓撲缺陷演化的原子尺度原位觀察，一方面拓展了外場作用下的拓撲缺陷行為的認識；另一方面揭示了位錯對層狀氧化物正極材料結構退化的影響機制，有望為下一代層狀氧化物正極材料的研發提供理論支撐。該研究也凸顯了先進透射電子顯微術在解決能源領域關鍵科學問題方面扮演的重要角色。