材料合成是現(xiàn)代材料科學(xué)的基石，而如何在很短時(shí)間尺度內(nèi)高效制備出具有特定結(jié)構(gòu)的材料長(zhǎng)久以來(lái)一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo)。眾所周知，絕大多數(shù)合成反應(yīng)都要從外部獲取能量來(lái)克服反應(yīng)勢(shì)壘，而傳統(tǒng)的能量供給方式包括燃燒和電加熱等，這些方式重要通過(guò)熱傳導(dǎo)將能量從熱源傳遞給制備的環(huán)境，再由環(huán)境傳遞到目標(biāo)反應(yīng)物，因此該傳遞過(guò)程中由于熱振動(dòng)的無(wú)序性會(huì)造成能量的大量浪費(fèi)，且會(huì)引入各自副反應(yīng)。理想的能量傳遞方式應(yīng)該是具有“靶向”性的，可以精確使得目標(biāo)反應(yīng)物直接接受從發(fā)射源的能量引發(fā)精準(zhǔn)快速化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。

以三元Li(NI/Co/Mn)O2為代表的層狀氧化物鋰離子電池正極材料，具有獨(dú)特的鋰離子夾層化學(xué)特性，已成為目前鋰離子電池中最重要的正極材料體系。當(dāng)前，無(wú)論是產(chǎn)業(yè)界還是實(shí)驗(yàn)室，廣泛采用高溫固相法作為合成層狀氧化物正極材料的主流方。這一方法要在750-1000℃的高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的燒結(jié)（gt10小時(shí)），往往帶來(lái)巨大的能耗、環(huán)境污染等問(wèn)題，并造成較高的生成成本。因此，開(kāi)發(fā)新型的低能耗、快速的合成方法，關(guān)于降低鋰鋰離子電池的生成成本、激發(fā)未來(lái)的儲(chǔ)能市場(chǎng)都具有重要的意義。

圖1原位同步輻射X射線(xiàn)技術(shù)追蹤層狀正極材料的超快微波水熱合成過(guò)程

近日，北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和美國(guó)國(guó)家同步輻射光源NSLSII白健明教授、Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王峰教授、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室許康教授合作，開(kāi)發(fā)了一種全新高效的微波水熱合成方法。如圖1所示，通過(guò)原位同步輻射XRD追蹤了層狀正極材料Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2(NMC333)的微波水熱合成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)氫氧化物前驅(qū)體在160℃的低溫下極短時(shí)間內(nèi)（4分鐘）就轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钛趸锂a(chǎn)物。通過(guò)與原位固相合成實(shí)驗(yàn)、原位水熱合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了微波水熱的反應(yīng)速率（1.819min-1）比固相合成（0.091min-1）和水熱合成（0.096min-1）大一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)進(jìn)一步的原位實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了反應(yīng)中各組分的微波吸收能力，成功揭示了超快微波合成背后的靶向能量傳輸引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理：微波能量可以通過(guò)與極化分子水合鋰離子及帶有未成對(duì)自旋電子的過(guò)渡金屬離子的共振相互用途，精確地將能量傳遞到反應(yīng)物中，提升反應(yīng)物的內(nèi)部動(dòng)能而對(duì)環(huán)境反應(yīng)溫度影響不大，從而加快了固液界面處的鋰離子插入速率和晶體的相結(jié)構(gòu)演化，最終實(shí)現(xiàn)了層狀正極材料的低溫快速合成。該工作近日發(fā)表在Science子刊ScienceAdvances（DOI：10.1126/sciadv.abd9472，影響因子為13.116）上。

圖2超快微波靶向能量傳輸引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理

該工作是在新材料學(xué)院潘鋒教授、美國(guó)國(guó)家同步輻射光源NSLSII白健明教授、美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王峰教授和美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室許康教授的共同指導(dǎo)下，由第一作者研究員張明建及相關(guān)人員共同努力一起完成。該工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的大力支持。

新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)微波“靶向”快速制備鋰離子電池層狀材料機(jī)理