|
出品：科普中国
作者：王春阳（中国科学院金属科研所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的奥秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的科研”系列文案，邀请专家亲自执笔，分享研究历程，打造科学世界。让咱们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
全固态锂电池因其高安全性和高能量密度，被视为超越传统液态锂离子电池的下一代电池技术。然而，到日前为止，正极材料（储存锂离子的载体）与固态电解质（锂离子的传输介质）相接触形成的界面的不稳定性始终是制约全固态电池性能和服役寿命的瓶颈。
锂离子电池
（照片源自：veer图库）
近期，中国科学院金属科研所联合加州大学尔湾分校的研究团队，利用人工智能（AI）辅助的透射电子显微镜（TEM）技术，在原子尺度厘清了正极/电解质界面的结构退化机制，揭示了全固态锂电池性能衰减背面的奥秘。
全固态锂电池是什么？
全固态锂电池是一种运用固态电解质代替传统液态电解质的电池技术，因其拥有更高的安全性、更高的能量密度和更宽的工作温度范围，日前被认为是下一代锂电池技术的科研热点和重点突破方向。
如今，全固态锂电池遇到的最大问题便是电极和电解质之间的电化学不稳定，这可是让电池性能快速下降的“罪魁祸首”。这种不稳定性让层状氧化物正极材料的结构都受到了影响，作为全固态锂电池性能稳定的最大阻碍。深入科研全固态电池中界面不稳定性引起的材料结构退化机制有望为研发高性能全固态电池供给重要的理论指点。
怎么看电池材料的结构？
想要研发先进材料，首要要深入认识材料的结构。透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简叫作TEM）便是一款观察材料内部结构的“利器”，它能在原子尺度上观察材料，分辨率高达0.05纳米，相当于头发丝直径的百万分之一！在物质科学科研中，TEM可是当今世界上最重要的材料表征手段之一。位置于沈阳的中国科学院金属科研所便是我国最早开展电子显微学科研的单位之一（该方向奠基人为我国著名电子显微学家、晶体学家郭可信先生）。金属所做为我国电子显微学人才培养的摇篮，持有各类透射电子显微镜多达十余台（价值数亿元），在材料的电子显微学科研方面拥有深厚底蕴和一支实力强劲的研究队伍。
透射电子显微镜基本构造示意图
（照片源自：中国科学院）
中国科学院金属科研所的部分透射电子显微镜
（照片源自：作者供给）
AI发挥了那些功效？
电池材料的结构繁杂性和不耐电子束辐照的特性给材料专家从原子尺度认识它的相变和结构演化带来了巨大挑战。不外，科研团队无放弃，借助人工智能在图像处理和分析方面的优良，创造性地把卷积神经网络派上用场，研发出原子识别、分割与高精度定位新办法，实现了层状氧化物正极材料的晶体结构、缺陷、繁杂相界面的原子级高精度影像和分析。
概念图：人工智能透射电镜技术揭示正极材料的原子结构
（照片源自：作者供给）
经过AI辅助的TEM技术，科研团队成功揭示了全固态锂电层状氧化物正极材料的原子尺度结构退化机制。她们发掘，全固态电池中的层状氧化物正极材料的性能退化的“元凶”重点有三个。
其一是晶格失氧，即正极材料在电化学反应过程中会丢失其重点的构成元素——氧，导致材料的结构框架被破坏；其二是“晶格碎化”，即材料表面晶体结构在应力功效下出现破碎，引起材料传输锂离子的能力明显下降；其三是晶格剪切相变，它是一种脱锂过程（即电池充电过程中锂离子被从正极材料中脱出）导致的材料内部结构重新摆列的现象，使得材料从初始晶体结构转变为另一种有害的晶体结构。
层状氧化物正极中剪切相界面结构的精细原子构型分析
（照片源自：作者供给）
界面电化学反应诱导的层状氧化物表面“晶格碎化”
（照片源自：作者供给）
这项科研成果揭示了层状氧化物正极材料在全固态锂电池中的结构退化机制，拓展了层状氧化物正极的相变退化理论，为全固态电池的正极材料和正极/电解质界面的优化设计供给了重要理论指点。另外，还为理解全固态电池中的界面行径供给了新视角，为研发高性能全固态锂电池指明了方向。同期，这一科研亦充分凸显了先进电子显微表征技术在处理能源行业核心科学问题中的重要功效。
王春阳与他的“伙伴”透射电子显微镜
（照片源自：作者供给）
结语
经过人工智能辅助的TEM技术，团队成功揭示了全固态锂电池正极材料在原子尺度上的失效机制，这些新认识为优化现有材料设计供给了科学依据和重要理论指点。
将来，团队将继续围绕全固态锂电池材料结构-性能关系中的核心科学问题开展基本科研。她们将发挥团队在电子显微学科研和材料科学科研两方面的专长，经过“发掘新知识、发展新办法、创造新材料”持续突破现有技术瓶颈，为推动全固态电池的优化设计和新材料研发贡献力量。
| 
发表于 2024-10-10 18:54:24