利用μ子光谱测定锂的扩散
发布时间：2025-10-24 16:56:15 阅读数： 80
μ子谱（μSR）是一种表征技术，用于分析注入自旋极化μ子对材料的影响。该方法可以检测μ子对材料原子、分子和晶体基质的影响。英国的一组研究人员现已利用该技术描述了锂离子（Li+）在掺杂钒和铌的LiFePO4材料中的扩散特性。
使用μ子并非科学界的标准表征方法。然而，近年来，μ子成像技术被用于探测吉萨大金字塔中一个隐藏的密室，使其广受欢迎。μ子研究的一个热点领域是将其用作探针，以确定材料的固态扩散行为。
在某些材料中，扩散过程并不总是很容易理解，而μ子提供了一种有效测量这些过程的方法。μ子对于锂扩散机制尤其有用。众所周知，锂离子的扩散会扰动注入的μ子，从而可以通过一系列计算提取扩散系数。
介子光谱学已被用于识别许多锂基材料中的扩散特性，英国的研究人员现在将这一知识扩展到钒和铌掺杂的 LiFePO4。
研究人员利用中试规模的连续热液流合成 (CHFS) 反应器合成了纯 LiFePO4 和掺杂 LiFePO4 材料，并在 ISIS 脉冲 μ 子和中子源的 EMU 仪器上进行了 μ 子谱实验。为了分析数据，研究人员使用了 Windows μ 子数据分析 (WiMDA) 程序，并利用X 射线衍射(XRD) 进一步表征了材料。
研究发现，利用这种光谱技术产生的光谱是由顺磁铁矩与锂和磷核磁矩的快速相互作用产生的。这种相互作用使得锂离子能够扩散并以与先前研究类似的方式被提取。
研究人员还尝试考虑任何可能影响结果的铁杂质。他们在计算中采用了指数衰减函数来实现这一点。然而，XRD 并未检测到这一因素，因此假设其影响可以忽略不计。
研究人员测得的掺杂材料扩散系数与块体和纳米 LiFePO4 的扩散系数接近。确切的扩散系数在 1.8-2.3x10-10cm-2s-1 范围内。这些数值接近未掺杂 LiFePO4 的事实，证明了 μ 子谱学是一种通用的技术，可用于测量不同种类的材料，即使这些材料的合成方式不同。
研究还发现，掺杂的 LiFePO4 材料比未掺杂的 LiFePO4 材料具有更高的电化学性能。然而，扩散系数的微小差异也告诉研究人员另一点：性能的提升并非直接源于局部锂离子扩散的增强。相反，研究人员认为，其他因素，例如更高的电导率和掺杂结构带来的稳定性，更有可能在增强掺杂材料性能方面发挥关键作用。
这一观察结果的实现得益于μ子谱学。μ子谱学可以测量LiFePO4材料的自扩散，从而消除了双相脱锂机制的必要性。该机制此前曾被使用，但阻碍了对掺杂和未掺杂材料进行精确比较。因此，μ子谱学可以识别局部尺度上掺杂剂的影响。
这项研究的结果展示了μ子谱在识别锂基材料扩散行为方面的多功能性。鉴于锂基材料在电池应用中最为普遍，μ子谱未来有望成为测量多种电池材料扩散特性的有效工具。
