固態(tài)電池性能衰減“癥結(jié)”何在？“人工智能顯微鏡”一探究竟

出品：科普中國

作者：王春陽（中國科學(xué)院金屬研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

全固態(tài)鋰電池因其高安全性和高能量密度，被視為超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術(shù)。然而，到目前為止，正極材料（儲存鋰離子的載體）與固態(tài)電解質(zhì)（鋰離子的傳輸介質(zhì)）相接觸形成的界面的不穩(wěn)定性一直是制約全固態(tài)電池性能和服役壽命的瓶頸。

鋰離子電池

（圖片來源：veer圖庫）

近日，中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合加州大學(xué)爾灣分校的科研團(tuán)隊(duì)，利用人工智能（AI）輔助的透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)，在原子尺度厘清了正極/電解質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)退化機(jī)制，揭示了全固態(tài)鋰電池性能衰減背后的奧秘。

全固態(tài)鋰電池是什么？

全固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的電池技術(shù)，因其具有更高的安全性、更高的能量密度和更寬的工作溫度范圍，目前被認(rèn)為是下一代鋰電池技術(shù)的研究熱點(diǎn)和主要突破方向。

如今，全固態(tài)鋰電池遇到的最大問題就是電極和電解質(zhì)之間的電化學(xué)不穩(wěn)定，這可是讓電池性能迅速下降的“罪魁禍?zhǔn)住?。這種不穩(wěn)定性讓層狀氧化物正極材料的結(jié)構(gòu)都受到了影響，成為全固態(tài)鋰電池性能穩(wěn)定的最大障礙。深入研究全固態(tài)電池中界面不穩(wěn)定性導(dǎo)致的材料結(jié)構(gòu)退化機(jī)制有望為開發(fā)高性能全固態(tài)電池提供重要的理論指導(dǎo)。

怎么看電池材料的結(jié)構(gòu)？

想要開發(fā)先進(jìn)材料，首先要深入了解材料的結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM）就是一款觀察材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“利器”，它能在原子尺度上觀察材料，分辨率高達(dá)0.05納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的百萬分之一！在物質(zhì)科學(xué)研究中，TEM可是當(dāng)今世界上最重要的材料表征手段之一。位于沈陽的中國科學(xué)院金屬研究所就是我國最早開展電子顯微學(xué)研究的單位之一（該方向奠基人為我國著名電子顯微學(xué)家、晶體學(xué)家郭可信先生）。金屬所作為我國電子顯微學(xué)人才培養(yǎng)的搖籃，擁有各類透射電子顯微鏡多達(dá)十余臺（價(jià)值數(shù)億元），在材料的電子顯微學(xué)研究方面具有深厚底蘊(yùn)和一支實(shí)力強(qiáng)勁的科研隊(duì)伍。

透射電子顯微鏡基本構(gòu)造示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院）

中國科學(xué)院金屬研究所的部分透射電子顯微鏡

（圖片來源：作者提供）

AI發(fā)揮了哪些作用？

電池材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和不耐電子束輻照的特性給材料科學(xué)家從原子尺度認(rèn)識它的相變和結(jié)構(gòu)演化帶來了巨大挑戰(zhàn)。不過，研究團(tuán)隊(duì)沒有放棄，借助人工智能在圖像處理和分析方面的優(yōu)勢，創(chuàng)造性地把卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)派上用場，開發(fā)出原子識別、分割與高精度定位新方法，實(shí)現(xiàn)了層狀氧化物正極材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、復(fù)雜相界面的原子級高精度成像和分析。

概念圖：人工智能透射電鏡技術(shù)揭示正極材料的原子結(jié)構(gòu)

（圖片來源：作者提供）

通過AI輔助的TEM技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結(jié)構(gòu)退化機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，全固態(tài)電池中的層狀氧化物正極材料的性能退化的“元兇”主要有三個(gè)。

其一是晶格失氧，即正極材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中會丟失其主要的組成元素——氧，造成材料的結(jié)構(gòu)框架被破壞；其二是“晶格碎化”，即材料表面晶體結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下發(fā)生破碎，導(dǎo)致材料傳輸鋰離子的能力顯著下降；其三是晶格剪切相變，它是一種脫鋰過程（即電池充電過程中鋰離子被從正極材料中脫出）引起的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列的現(xiàn)象，使得材料從初始晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N有害的晶體結(jié)構(gòu)。

層狀氧化物正極中剪切相界面結(jié)構(gòu)的精細(xì)原子構(gòu)型分析

（圖片來源：作者提供）

界面電化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的層狀氧化物表面“晶格碎化”

（圖片來源：作者提供）

這項(xiàng)研究成果揭示了層狀氧化物正極材料在全固態(tài)鋰電池中的結(jié)構(gòu)退化機(jī)制，拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，為全固態(tài)電池的正極材料和正極/電解質(zhì)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要理論指導(dǎo)。此外，還為理解全固態(tài)電池中的界面行為提供了新視角，為開發(fā)高性能全固態(tài)鋰電池指明了方向。同時(shí)，這一研究也充分凸顯了先進(jìn)電子顯微表征技術(shù)在解決能源領(lǐng)域核心科學(xué)問題中的重要作用。

王春陽與他的“伙伴”透射電子顯微鏡

（圖片來源：作者提供）

結(jié)語

通過人工智能輔助的TEM技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功揭示了全固態(tài)鋰電池正極材料在原子尺度上的失效機(jī)制，這些新認(rèn)識為優(yōu)化現(xiàn)有材料設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和重要理論指導(dǎo)。

未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞全固態(tài)鋰電池材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系中的核心科學(xué)問題開展基礎(chǔ)研究。他們將發(fā)揮團(tuán)隊(duì)在電子顯微學(xué)研究和材料科學(xué)研究兩方面的專長，通過“發(fā)現(xiàn)新知識、發(fā)展新方法、創(chuàng)造新材料”不斷突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，為推動全固態(tài)電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料開發(fā)貢獻(xiàn)力量。