供稿：北京散裂中子源靶站譜儀工程中心
中國散裂中子源（CSNS）首個用戶實驗的科學成果於2018年6月14日在國際能源領域頂級期刊Energy Storage Materials（CiteScore: 13.31）雜誌上在線發表。該項成果主要由中國科學院物理研究所散裂中子源靶站譜儀工程中心與清潔能源實驗室E01組研究團隊合作完成。
由於過渡金屬等重原子的存在，X射線對鋰及氧等輕原子相對不太敏感，因此為了更加準確地探測該材料在脫嵌鋰過程中的結構變化，中子衍射無疑是一個很好的工具。此外，通過精巧的實驗設計，利用各元素的中子散射長度特性結合材料的電化學性能需求實現了該材料中處於同一佔位的陽離子中子散射長度之和遠遠小於材料中陰離子的中子散射長度，其結果是陽離子位對中子散射強度近乎無貢獻從而實現了對陰離子位的精確探測。這一獨特的化學元素組合，非常有利於中子衍射精準分析該材料在脫嵌鋰過程中陰離子骨架結構的演化。經過嚴格的用戶實驗評選程序，結合譜儀現有性能指標，物理所博士生趙恩嶽在譜儀科學家物理所/中國散裂中子源何倫華研究員和高能所/東莞中子科學中心陳潔副研究員等的幫助下，在中國散裂中子源（CSNS）通用粉末衍射譜儀（GPPD）上開展了第一個用戶實驗，分別採集了Li1.2Ti0.35Ni0.35Nb0.1O1.8F0.2材料化學脫嵌鋰前後的中子粉末衍射數據。中子衍射定量分析結果證實了該材料在脫嵌鋰過程中強勁穩定的陰離子骨架結構。這一重要結果為揭示陽離子無序富鋰正極材料結構與電化學性能之間的構效關係提供了基礎，也為進一步開發高容量體系的正極材料提供了指導。
由中國科學院高能物理研究所和物理研究所共建的位於廣東東莞的中國散裂中子源CSNS是我國“十一五”國家重大科技基礎設施，也是我國第一個脈衝式散裂中子源，與美國散裂中子源SNS、日本散裂中子源J-PARC和英國散裂中子源ISIS構成了目前世界上主要的四大脈衝式散裂中子源。CSNS於2017年8月首次打靶成功並獲得中子束流，11月達到打靶束流功率的驗收指標，並於2018年3月25日通過了工藝鑑定和驗收，成為粵港澳大灣區重要的大科學裝置之一。該項工作中的中子粉末衍射數據是CSNS建成以來的首個用戶實驗數據，其中子衍射實驗全部依託CSNS通用粉末衍射譜儀（GPPD）完成，該譜儀由物理所何倫華研究員負責設計與建造。CSNS通過前期調試、工藝鑑定和驗收後，其首個用戶實驗就成功獲得了高質量的數據並迅速發表了高水平的物理成果，充分表明CSNS已經初步具備成為我國中子散射研究最先進平臺的潛力，具有十分重要的意義。中國散裂中子源的建成為松山湖材料實驗室建設成為國家材料科學研究重地，成為國際知名材料科學研究機構奠定了堅實的基礎。
中國科學院高能物理研究所和東莞中子科學中心的部分研究人員參與了該項工作。該工作得到了科技部國家重點研發計劃，國家材料基因組計劃，國家自然科學基金，北京市科委和“千人計劃青年科學家”項目的支持。
圖1中國散裂中子源航拍圖以及Li1.2Ti0.35Ni0.35Nb0.1O1.8F0.2材料的電化學性能結果。
圖2 Li1.2Ti0.35Ni0.35Nb0.1O1.8F0.2材料在電化學長週期循環過程中的結構演化結果。
圖3 Li1.2Ti0.35Ni0.35Nb0.1 O1.8F0.2材料化學脫嵌鋰前後的中子粉末衍射結果。
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