徐志伟教授、夏元华副研究员， Nano Energy综述：基于中子的表征：照亮可充电锂金属电池的一颗新星

第一作者：王硕

通讯作者：夏元华*，徐志伟*

单位：中国工程物理研究院，天津工业大学

锂金属被认为是锂电池众所周知的“圣杯”。高能阴极（例如硫或氧阴极）的集成使得高能量存储器件的制造成为可能。然而，基于锂金属的储能系统面临着许多从基体到界面的复杂问题。先进的表征技术是解决这些问题的先决条件，与电子、质子或X射线相比，中子由于其电中性而表现出高穿透力的独特优势。这一特性对于体积或质量逐渐增大的高储能器件的原位表征具有不可替代的优势。更重要的是，与X射线相比，中子与物质相互作用的核散射特性使其对锂元素更加敏感。因此，基于中子的表征可能是解决当前与锂金属电池相关问题的一个有力工具。

近日，天津工业大学的徐志伟教授与中国工程物理研究院的夏元华副研究员合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为Neutron-based characterization: A rising star in illuminating rechargeable lithium metal batteries”的综述文章。该综述文章总结了中子表征技术在高能锂金属电池各个组件（正极、负极、电解质、电化学界面）上的应用进展。展望了中子技术在锂金属电池各个组件中的潜在应用。

在锂金属电池中，存在从原子尺度到器件尺度的多尺度问题。文章将中子散射技术从小空间尺度到大空间尺度进行划分，如中子衍射（＜0.1 Å）、准弹性中子散射（0.1 Å~1 nm）、小角中子散射（1~100 nm）、中子反射（10~1000 nm）、中子成像（>10 μm）和中子深度刨面分析（10 μm~1 cm）。系统介绍了各种中子技术在高能锂金属电池中各个组件的应用。

为了解决锂枝晶引起的安全问题，中子反射、中子成像和中子深度刨面分析已经用来观测锂金属阳极沉积过程中的不均匀性。对于电解质，中子小角散射和中子成像已被用来研究制备和离子传输过程中的不同空间尺度的结构变化。其中，无机固体电解质可以通过中子衍射获得精细晶体结构，并且中子衍射和准弹性中子散射可以研究不同时间分辨下的离子输运。对于阴极，中子小角散射和中子成像已被用于观测不同空间尺度下放电产物的空间分布和形态，以指导设计高可逆的转换反应正极。对于电化学界面（包括SEI膜和固-固界面），中子的高穿透性使得中子反射和中子深度刨面分析能够研究界面的梯度结构并指导界面的设计。

对于中子衍射，研究煅烧过程或工况下的晶体演化将能更好的发挥中子高穿透的特性。作为一种表征工程部件应力分布的方法，中子衍射可以拓展到检测工况下无机固体电解质的应力演化。使用准弹性中子散射理解基于簇的阴极催化剂链运动对于开发高效阴极催化剂有重要意义。虽然中子小角散射已被研究用于探索阴极和固体电解质的结构演化，但其无损特性在分析SEI膜的形成、组成和结构演化中可以发挥重要作用。对于中子反射，电解质和电解质/阴极界面的亚纳米几何变化和降解过程更具研究意义。由于对化学环境不敏感性，中子深度刨面分析无法准确区分锂的来源，通过结合其他表征方法，可以更精确地分析锂金属界面。尽管中子成像已经取得了令人满意的结果，但在锂金属器件中可以应用更多的成像方法，例如衍射、相衬和暗场成像来获得更多的信息。更重要的是，结合能量分辨TOF模式，共振成像可以同时采集空间位置信息和核素信息，用于电池原位观测。

Neutron-based characterization: A rising star in illuminating rechargeable lithium metal batteries