科學家揭示全固態鋰電池穩定性機制

中新網北京9月13日電(記者孫自法)記者9月13日從中國科學院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學國家研究中心王春陽研究員與美國加州大學爾灣分校忻獲麟教授團隊合作，最新研發并利用人工智能“超級顯微鏡”——人工智能輔助的透射電子顯微鏡技術，揭示出全固態鋰電池中的層狀氧化物正極材料的原子尺度結構退化路徑，發現其與液態鋰離子電池中迥然不同的演化機制。

這項全固態電池穩定性機理研究方面取得的重要進展，近日以“全固態電池中層狀正極化學應力失效的原子尺度起源”為題，發表于國際學術期刊《美國化學會志》。

人工智能“超級顯微鏡”揭示全固態鋰電池失效機制的概念圖。中國科學院金屬研究所/供圖

王春陽研究員介紹說，高安全性和高能量密度的全固態鋰電池有望成為超越液態鋰離子電池的下一代電池技術，從而解決困擾新能源汽車的“安全焦慮”和“續航焦慮”。然而，電極材料與固態電解質的界面穩定性一直是困擾固態電池發展的瓶頸，尤其是層狀氧化物正極與固態電解質的界面不穩定性會誘發正極材料結構退化，從而造成全固態鋰電池的性能急劇衰減。

最新開展的這項研究表明，全固態電池中層狀氧化物正極材料中晶格失氧、滑移、碎化共同誘發了層狀氧化物的結構退化和失效。該機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，有望為全固態電池的正極與電解質界面優化設計提供重要理論支撐。

全固態鋰電池層狀氧化物正極的原子尺度失效機制總結示意圖。中國科學院金屬研究所/供圖

王春陽指出，透射電子顯微鏡是當今物質科學研究中最強大的材料表征儀器之一。人工智能與先進透射電鏡表征技術的結合，為科學家更深入地認識材料提供了前所未有的強大手段，近年來已逐漸成為材料電子顯微學發展的重要方向。

在透射電子顯微成像中引入人工智能算法，可以實現對原子尺度的晶體結構、缺陷、界面等復雜結構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，可顯著提高實驗效率、加深對材料本質的認識、加速科學發展進程，將在材料基礎研究和新材料研發方面發揮重要作用。

隨著人工智能技術的不斷發展，它將與先進表征技術進一步交叉融合。“先進表征技術驅動的材料研發”甚至有望成為新的科學研究范式，將為推動全球材料科學、能源科學、納米技術的發展提供新的動力。

層狀氧化物正極中剪切相界面結構的精細原子構型分析示意圖。中國科學院金屬研究所/供圖

據了解，王春陽長期致力于利用先進透射電子顯微技術解決電池材料中的核心科學問題，由于在該領域的突出研究貢獻，他先后榮獲美國電子顯微學會博后學者獎，并入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”中國區榜單。

中國科學院金屬研究所透露，未來，王春陽將帶領一支平均年齡不到30歲的研究隊伍，繼續發揮該所在電子顯微學與材料研究方面的優勢，圍繞全固態鋰電池材料結構-性能關系中的核心科學問題開展基礎研究，為推動全固態電池的優化設計和新材料研發作貢獻。(完)

（原標題：研發利用人工智能“超級顯微鏡” 科學家揭示全固態鋰電池穩定性機制）