中科院金属所：揭示电化学反应驱动的原子尺度位错动力学

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员联合加州大学尔湾分校忻获麟教授、麻省理工学院李巨教授，在电化学反应驱动的拓扑缺陷演化研究方面取得重大突破，利用原位透射电镜技术首次在原子尺度揭示了电池电化学反应驱动的位错形核、运动、湮灭动力学，并阐明了位错诱导的锂电层状氧化物正极材料的结构退化机制。研究成果以 “Resolving electrochemically triggered topological defect dynamics and structural degradation in layered oxides”为题发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。材料结构与缺陷研究部王春阳研究员为论文第一作者兼共同通讯作者。

研究表明，电化学反应的本征不均匀性会在层状氧化物中引入非均匀晶格畸变，从而在纳米尺度诱发位错的大量生成和非平衡动态演化（包括形核、运动、湮灭等）。位错动力学的原子尺度原位监测结果表明，层状氧化物中电化学反应驱动的位错攀移与滑移速度在同一数量级，这与结构金属、陶瓷材料中应力驱动的位错滑移速度要远高于攀移速度（一般相差几个数量级）的传统认识迥然不同。此外，该研究还揭示了位错核心诱发的裂纹—岩盐相同步形核机制以及位错爆发—湮灭（burst-annihilation）诱导的局部取向变化行为。总而言之，该研究通过对电化学反应驱动的拓扑缺陷演化的原子尺度原位观察，一方面拓展了外场作用下的拓扑缺陷行为的认识；另一方面揭示了位错对层状氧化物正极材料结构退化的影响机制，有望为下一代层状氧化物正极材料的研发提供理论支撑。该研究也凸显了先进透射电子显微术在解决能源领域关键科学问题方面扮演的重要角色。

原文链接

http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202501/t20250114_7517880.html

图1. 层状氧化物中电化学反应诱导生成的位错

图4. 位错诱导的裂纹—岩盐相同步形核