中子輻照誘導的新型電池失效機制獲揭示

松山湖材料實驗室中子科學-量子和能源材料團隊在國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目的資助下，研究揭示了中子輻照誘導的新型電池失效機制。近日，相關成果發表于《美國化學會能源快報》（ACS Energy Letters）。

（a）宇宙射線與航天器相互作用產生的空間輻照效應；(b) 中子輻照誘導晶體結構缺陷的微觀損傷機制；(c) 原位中子輻照軟包電池測試示意圖；(d) 不同荷電狀態下輻照電池中鈷酸鋰正極的結構演變。研究團隊供圖

衛星發射、空間站建設等航空航天工業的發展不僅拓寬了人類對宇宙的認知邊界，同時在災害監測、全球氣候變化應對等領域也發揮著不可替代的戰略價值。鋰離子電池因其優異的能量密度和循環穩定性，已成為航空航天能源系統的核心組件。

然而，深空環境中的高能射線與航天器材料作用產生的次級中子輻照，會引發電池材料的原子位移損傷。高能中子可通過彈性/非彈性散射傳遞足夠動量使原子脫離晶格位點，形成空位缺陷與自間隙原子。此外，入射中子還可誘發多級碰撞，產生級聯損傷，導致電極材料晶體結構失穩，加速電化學性能失效，最終威脅航天器關鍵任務的實施。因此，揭示中子輻照下電極材料的多尺度損傷機制，對發展深空抗輻照電池技術具有重要指導意義。

（a）不同粒徑鈷酸鋰中子輻照劑量損失（模擬計算結果）；（b, c）未輻照和輻照后三種不同粒徑鈷酸鋰的微觀結構變化。研究團隊供圖

該研究中，研究人員在國際上率先開展鋰離子電池中子輻照失效機制研究。研究表明，中子輻照可誘發鈷酸鋰正極材料產生微裂紋，并使晶體內部應力顯著增加。同時，中子輻照還會誘發鋰離子遷移，破壞材料原有的鋰亞晶格結構。進一步，原位中子輻照實驗表明，中子輻照可加速材料的層間滑移，且這種滑移現象隨著鋰離子脫/嵌程度的增加而加劇。更為重要的是，研究人員發現材料的輻照損傷程度取決于其單晶粒徑-粒徑越小，輻照損傷越小。

該研究不僅揭示了中子輻照誘導的新型電池失效機制，同時為開發面向極端工況的抗輻照正極材料提供了理論基礎。

記者獲悉，上述工作中的相關中子輻照實驗在中國散裂中子源大氣中子輻照譜儀完成，中子粉末衍射實驗在多物理譜儀完成，高分辨同步輻射X射線衍射實驗在日本同步輻射光源Spring8完成。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00828