中子衍射最大熵方法对锂离子电池锂离子微观迁移路径的表征

The structural characterization of lithium-ion migration through the Li-ion battery is crucial in the understanding of Li-ion conduction mechanics and search for novel battery materials with improved properties. Compared to X-ray diffraction, neutron diffraction is more efficient experiment technology in detecting the average structure of Li-ion in bulk crystal. Whereas the widely-used Rietveld refinement method cannot be applied for the dynamic distribution of atomic positions. .In order to investigate the Li-ion migration pathways, we develop the novel Maximum Entropy Method (MEM) for X-ray and Neutron Diffraction data. It can visualize the precise position/occupancy of atoms, and also very subtle density distribution of election/nuclear. The unique capability of our MEM is to determine the quasi-static and quasi-periodic structure in the crystals..On the base of MEM, we will study the lithium-ion migration pathways of several typical Li-ion batteries during charge/discharge, with the in-situ neutron diffraction experiment.

锂离子电池正极材料中锂离子的微观迁移路径，成为理解锂离子输运动力学、设计新型高性能锂电材料的关键。相比于X射线衍射等实验手段，中子衍射是探测晶体块材内锂离子平均结构最为有效的实验手段。传统的Rietveld结构精修方法并不能测定原子的动态分布。.为了研究锂离子的微观迁移路径，本项目开发用于X射线衍射，特别是中子衍射分析的最大熵方法。它不仅可以测定晶体内原子的位置，而且能解析电子与原子核密度的三维精细分布。最重要的创新是解析晶体材料内准静态/准周期性结构。.在开发的最大熵程序基础上，利用原位中子衍射实验，针对几类具有代表性的锂离子电池正极材料LiCoO2，LiMn2O4, LiFepO4，揭示其在充放电等状态下，Li离子在材料体内部的多维微观迁移路径。

项目的背景：锂离子电池具有优良的可重复性能、高能量密度和长寿命等特点，已成为越来越重要的新能源材料。由于以下两个原因，锂离子在电池正负极中的分布和传输一直缺乏有效的表征手段。一、传统的实验方法，无法高敏感地识别锂离子；二、现有的分析方法，无法解析短程有序的原子结构。.研究内容：本项目利用中子对锂离子敏感的特点，研发了锂离子电池充放电测量的中子原位实验方法，并开发了无序锂离子分布表征的最大熵方法，解决了锂离子微观结构表征的实验难点。同时，利用开发的实验和数据分析方法，完成了多种新型锂离子电池的研究。.重要结果：1）研究了X射线衍射、常波中子衍射、飞行时间中子衍射三类实验数据的最大熵分析方法，开发了基于C++的命令行和图形化软件，实现了电子和原子核密度分布的解析，并已向用户免费开放。2）研发了应用于最大熵方法分析的中子实验方法，设计了用于电池充放电测量的原位样品环境，实现了高信噪比中子数据的采集。3）结合分子动力学，第一性原理和中子散射实验，对一系列锂离子电池微观传输路径进行了表征研究，并发现了几类新型的高性能锂离子电池材料。.关键数据：1）发布最大熵方法软件项目，1项。支持Windows/Mac/Linux跨平台，C++代码行数：28734, C++类：92，下载量：>100。2)发表论文篇13篇。其中最大熵方法：1篇，锂离子电池：6篇，其它：6篇。.科学意义：本项目的研究成果为锂离子电池等材料的微观局域结构表征，提供了新型的中子实验方法，以及数据分析的方法和软件。该方法和软件已经发布，向国内国际中子源和光源的科学家用户开放使用，为锂离子电池等材料的机理研究和性能提升提供实验和分析支持。