锂电池新突破！循环寿命有望大幅提升

近日，荷兰代尔夫特理工大学的Marnix Wagemaker教授团队与中核集团原子能院核物理研究所中子散射团队合作，在国际权威期刊《自然》上发表了锂离子电池领域的最新研究成果。该成果或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能，标志着中核集团重大科研设施中国先进研究堆全面开放应用取得重要进展。

该研究围绕有序层状氧化物开展，这是目前锂离子电池中最重要的正极材料之一。在进行深度充电时，该结构框架容易受到晶格应力、结构或机械化学降解的影响，使得电池容量急剧下降，从而导致电池寿命缩短。

为此，Wagemaker教授团队联合中核集团原子能院等单位，提出了一种解决方法，成功将化学短程无序(CSRD)引入到氧化物正极中，精确调节了锂和钴元素在晶格中的局域分布，使其跨越几个最近邻格点的间距，从而显著提升了锂电池的循环寿命和快充性能。研究利用中子粉末衍射技术获得锂和钴元素的分布特征，发现大约2.6%的钴离子位于锂层中，为证明CSRD结构提供了关键证据。

(科技日报实习记者 薛岩)

来源： 科技日报

黄金和铁都由一样的质子中子和电子组成，为什么价值差别那么大？

金和铁是具有不同价值的金属，但就是小朋友也知道，金子是比较昂贵的，要不然怎么会说一寸光阴一寸金是不？这两种价值相差巨大但真正本质并没有多少差别，因为构成金原子和铁原子质子中子和电子并没有什么区别！

物质是由什么组成的？

电子应该是原子内部最早被发现的粒子，它是剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙于1897年在重复赫兹的实验时发现的，不过到1899年汤姆逊在做光电效应实验与热离子发射实验测得于先前阴极射线等同的荷质比时候才真正确认。它是人类发现的第一种基本粒子

原子核的发现

原子核是1909年卢瑟福做α粒子散射的时发现大部分粒子都穿过了金箔，只有极少数粒子出现了偏离和回弹，根据这个散射角度，卢瑟福估计出了原子中有一个极小但是质量极大的存在，它占据了几乎所有原子的质量，但尺寸却小到不可思议。

质子的发现

早在1815年威廉·普劳特就发现，各种气体的密度都是氢的整数倍，所以他认为所有的原子都是氢原子构成的，尽管他的论据是错误的，但不得不说这个想法真的非常正确。真正发现质子要到100多年后的1919年，又是卢瑟福用α粒子与氮气的碰撞发现了氢原子核，因而发现了质子。

中子的发现

卢瑟福在发现质子后提出了中子存在的可能性，他的猜测来自于原子量和原子序数的差异，十多年后他的学生查德维克以α粒子轰击硼-10原子核得到氮-13原子核和一种新射线，他认为这种新辐射是一种质量近似于质子的中性粒子，并设计了实验证实了他的理论。种中性粒子后来被称为中子。

当然中子和质子依然可以分下去，但用来说明金银铜铁已经足够了！

各种元素又是怎么产生的？

元素的构成其实挺简单，就是中子和质子的组合决定了元素的分类，原子核中的质子数决定了他们的元素属性，中子数决定是什么同位素，外部的电子决定了它们的化学属性是否活泼，三种我们熟悉的粒子构成了整个世界。

一号氢元素：一个质子就是氢元素中同位素氕，一个质子一个中子就是氘，一个质子两个中子就是氚，地球上最多的是氕，氘之占0.02%，氚因为会衰变，所以是痕量。

二号氦元素：两个质子一个中子就是氦三，两个质子两个中子就是氦四，地球上的都是氦四。

三号锂元素：三个质子和四个中子就是锂-7，也就是做电池的锂，三个质子三个中子是锂-6，常见用途用在氢弹中受到中子轰击生成氚，或者核聚变堆中用多余的中子生成氚。

26号铁元素：铁元素是26个质子和30个中子，构成的同位素为铁-56。铁也有很多同位素，但铁-56的原子核是最稳定的，我们下文详细说明。

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79号金元素：金元素则是79个质子和118个中子，称为金-197，也可以有同位素，不过都是人造！金元素则是自然界中化学属性最稳定的元素之一。

最简单的质子和中子的比例，构成横宇宙中最为复杂的物质，宇宙中所有的物质都有这些物质构成，当然还有一种只有中子没有质子的世界，因为自然状态下单个中子会衰变，所以中子星就是这种所谓的0号元素。

元素都是怎么来的？

说起来非常简单，制造起来就难了，因为要让氕原子核，也就是两个质子结合在一起的难度非常高，甚至太阳上的温度都有些欠缺，假如不是当年伽莫夫推导出了质子在克服库伦斥力障壁的量子力学公式，也就是量子隧穿效应，大家还看着太阳发呆呢！

质子链反应

但即使是太阳这个氕氕聚变还是很慢，大概十亿次机会中才有一次聚变成氘，这个概率实在是太低了，好在时太阳内部这种机会多的是，所以太阳有的是机会可以浪费，但人类就很难啦，咋都达不到要求，而且人类用的还是要求最低的氘和氚。

关于比结合能

原子核的结合能与核子数之比就是比结合能，一般情况下原子核的核子数阅读，比结合能越大，但氕是例外，因为一颗质子要吸收能量转变成中子，才能变成氘，所以第一步特别难，到了氘和氚就容易多了，因为有中子的调和，但之后又开始更难，元素的比结合能如下。

元素的比结合能曲线

所以听上去元素制造非常简单，不过是质子和中子的数量堆砌而已，但要克服质子之间强大的库伦斥力到它们结合的强作用力生效之前，这个难度是极大的，只有超高温超高压下才能实现，到现在为止做得最成功的是恒星。

金和铁又是怎么来的？

太阳其实能耐还是非常有限的，因为以太阳的温度未来聚变的极限只能到达碳和氧，但宇宙中有比太阳质量大得多的恒星，所以它们的核聚变可以一路从氢元素一直到铁：

氕 → 氘 → 氦-3 → 氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56

所以恒星聚变的最终的元素会是镍-56，但它会衰变回铁，不过当恒星内核聚变到铁时这颗恒星的末日也就来了，铁核不再产生能量无法提供辐射压，外壳将会坍缩而引发超新星爆发，所以未来更重的元素将会在这个过程中爆发的中子流中的快中子捕获过程合成更重的元素。

快中子捕获和慢中子捕获

快中子捕获需要铁基原子核，过程其实并不复杂，原子核捕获中子多了会衰变不稳定，所以每衰变一颗中子成为质子，那么它的元素序号就+1，在超新星爆发的快中子流中捕获多少中子，又是衰变哪个元素稳定，这就要看缘分啦，但可以了解到的是原子核序数越高概率就越低，所以金子珍贵是有道理滴！

中子捕获生成重元素示意图

还有一条途径是红巨星内部的慢中子捕获，这个原理一样，只是生产重元素比较慢，但好在红巨星时间超级久（对超新星来说），所以它也能生产一半以上的重元素。

中子星合并

当然各位肯定被科普过中子星（恒星的其中一个结局，一般是8-20倍太阳质量范围的恒星最后形成）相撞形成大量重元素，因为这个是都是中子，碰撞后失去了中子星的条件后这些中子纷纷开始衰变，形成重元素的比例是极高的，所以中子星才是真正的金矿。

最稳定的金和最稳定的铁

金是化学性能最稳定的金属之一，在地下埋上千年，吹去浮土依然金光灿灿，为什么金子的不容易生锈呢？我们上文说了电子，因为电子层的排布跟元素的化学属性稳定性有非常大的关系，按理来说，金的电子层分布是2 8 18 32 18 1，那么它最外层的电子只有一个，应该很容易失去的，咋反而会稳定呢？

金元素的核外电子排布关系是5d106s1，这表示金原子核外有6个电子层，最外层只有1个电子，不过其次外层电子和第三层的电子对其道化学性质也有影响，因此要让金元素发生化学反应的话，不仅要失去最外层的电子，还有次外层的电子，而要失去这部分电子需要要吸收很大的能量，当达不到这个级别时，金元素就我行我素，所以千年之后它依然是黄金。

不过并不是说金就能真的保持不变，它在王水（浓盐酸（HCl）和浓硝酸（HNO₃）按体积比为3:1组成的混合物）中就不行了，直接将其溶解。

最稳定的铁？

铁应该是最不稳定的元素了，到哪都生锈，除非它和其他金属构成特种合金才不容易生锈，所以说铁稳定，估计有100个人会反对。事实上铁就是这副德行，但我们要说的不是铁的化学属性，而是其原子核稳定性，它处在比结合能的顶峰，也就是聚合最难，分裂也最难，过了铁元素原子核理论上都可以裂变，而未到铁，则理论上都可以聚变，铁刚好位于这个坑底，所以元素到了铁之后既无法聚变，也无法裂变，因而铁是最稳定的，大家应该不会反对了吧！

不过上文也说了，铁可以通过快中子捕获成为更高序号的元素，但这并不影响它成为最稳定的元素，要不然我们这个世界就只有最贵重的铁了。

金原子和铁原子中的质子、中子和电子有区别吗？

前文中，我们已经了解了元素的来龙去脉，那么最后确认一下，金原子中的电子和铁原子中的电子没有任何区别，而且它们的质子也中子也同样没区别，当然不用说金子和铁，就是宇宙中所有显物质的电子都是一样的。

我们这里说到了显物质，与之对应的还有暗物质和暗能量，我们对此一脸懵逼，仅仅了解暗物质具有引力和弱相互作用，而暗能量则会产生斥力，除此以外，比如这两种物质由什么组成，科学家也只能耸耸肩，表示他们也很无奈。

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