位错是晶体材料中最重要的拓扑缺陷之一。对于具有良好延展性的金属材料，位错是其塑性变形的主要载体，是决定其力学性能的关键；相比之下，具有本征脆性的陶瓷材料的塑性变形能力有限，一般并不涉及大量的位错行为（多表现为脆断）。与传统陶瓷材料在服役过程中主要承受机械应力的应用场景不同，层状氧化物（电动汽车中应用最为广泛的一类正极材料）在服役条件下承受的是多物理场（电、化学、力、热等）耦合作用下的氧化还原反应。在循环往复的电化学反应过程中，层状氧化物不仅会发生复杂相变，同时还伴随元素价态变化、物质迁移与损失、和非均匀电化学应力作用，从而导致大量缺陷（如空位和位错）的生成，进而对层状氧化物正极材料的结构退化和电化学性能衰减产生重要影响。

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。

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图1. 层状氧化物中电化学反应诱导生成的位错

图2. 电化学反应过程中位错滑移与攀移速度的原位测量

图3. 电化学反应驱动的位错（偶）形核、运动和湮灭的动力学过程

图4. 位错诱导的裂纹—岩盐相同步形核

图5. 位错爆发—湮灭（burst-annihilation）诱导的局部取向同化