中新網(wǎng)北京9月13日電 (記者 孫自法)記者9月13日從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心王春陽(yáng)研究員與美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校忻獲麟教授團(tuán)隊(duì)合作，最新研發(fā)并利用人工智能“超級(jí)顯微鏡”——人工智能輔助的透射電子顯微鏡技術(shù)，揭示出全固態(tài)鋰電池中的層狀氧化物正極材料的原子尺度結(jié)構(gòu)退化路徑，發(fā)現(xiàn)其與液態(tài)鋰離子電池中迥然不同的演化機(jī)制。
這項(xiàng)全固態(tài)電池穩(wěn)定性機(jī)理研究方面取得的重要進(jìn)展，近日以“全固態(tài)電池中層狀正極化學(xué)應(yīng)力失效的原子尺度起源”為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。
人工智能“超級(jí)顯微鏡”揭示全固態(tài)鋰電池失效機(jī)制的概念圖。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所/供圖
王春陽(yáng)研究員介紹說(shuō)，高安全性和高能量密度的全固態(tài)鋰電池有望成為超越液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術(shù)，從而解決困擾新能源汽車的“安全焦慮”和“續(xù)航焦慮”。然而，電極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性一直是困擾固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸，尤其是層狀氧化物正極與固態(tài)電解質(zhì)的界面不穩(wěn)定性會(huì)誘發(fā)正極材料結(jié)構(gòu)退化，從而造成全固態(tài)鋰電池的性能急劇衰減。
最新開展的這項(xiàng)研究表明，全固態(tài)電池中層狀氧化物正極材料中晶格失氧、滑移、碎化共同誘發(fā)了層狀氧化物的結(jié)構(gòu)退化和失效。該機(jī)制系首次在層狀氧化物正極材料中被觀察到，它拓展了層狀氧化物正極的相變理論，有望為全固態(tài)電池的正極與電解質(zhì)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要理論支撐。
全固態(tài)鋰電池層狀氧化物正極的原子尺度失效機(jī)制總結(jié)示意圖。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所/供圖
王春陽(yáng)指出，透射電子顯微鏡是當(dāng)今物質(zhì)科學(xué)研究中最強(qiáng)大的材料表征儀器之一。人工智能與先進(jìn)透射電鏡表征技術(shù)的結(jié)合，為科學(xué)家更深入地認(rèn)識(shí)材料提供了前所未有的強(qiáng)大手段，近年來(lái)已逐漸成為材料電子顯微學(xué)發(fā)展的重要方向。
在透射電子顯微成像中引入人工智能算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子尺度的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、界面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度成像和智能化解析。人工智能用于透射電鏡表征技術(shù)，可顯著提高實(shí)驗(yàn)效率、加深對(duì)材料本質(zhì)的認(rèn)識(shí)、加速科學(xué)發(fā)展進(jìn)程，將在材料基礎(chǔ)研究和新材料研發(fā)方面發(fā)揮重要作用。
隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，它將與先進(jìn)表征技術(shù)進(jìn)一步交叉融合。“先進(jìn)表征技術(shù)驅(qū)動(dòng)的材料研發(fā)”甚至有望成為新的科學(xué)研究范式，將為推動(dòng)全球材料科學(xué)、能源科學(xué)、納米技術(shù)的發(fā)展提供新的動(dòng)力。
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)型分析示意圖。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所/供圖
據(jù)了解，王春陽(yáng)長(zhǎng)期致力于利用先進(jìn)透射電子顯微技術(shù)解決電池材料中的核心科學(xué)問(wèn)題，由于在該領(lǐng)域的突出研究貢獻(xiàn)，他先后榮獲美國(guó)電子顯微學(xué)會(huì)博后學(xué)者獎(jiǎng)，并入選《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國(guó)區(qū)榜單。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所透露，未來(lái)，王春陽(yáng)將帶領(lǐng)一支平均年齡不到30歲的研究隊(duì)伍，繼續(xù)發(fā)揮該所在電子顯微學(xué)與材料研究方面的優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題開展基礎(chǔ)研究，為推動(dòng)全固態(tài)電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料研發(fā)作貢獻(xiàn)。(完)
