全固態(tài)電池作為一種理想的能源存儲(chǔ)設(shè)備，具有高能量密度、長壽命和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛關(guān)注。然而，全固態(tài)電池的穩(wěn)定性一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。為此，王春陽研究員與忻獲麟教授團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的透射電子顯微鏡技術(shù)，對全固態(tài)電池中的層狀氧化物正極材料進(jìn)行了深入研究。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心王春陽研究員與加州大學(xué)爾灣分校忻獲麟教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了人工智能輔助的透射電子顯微鏡技術(shù)，在全固態(tài)電池穩(wěn)定性機(jī)理研究方面取得了重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)揭示了全固態(tài)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)了與液態(tài)電池中完全不同的演化機(jī)制。研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)志》。
人工智能“超級顯微鏡”揭示全固態(tài)鋰電池失效機(jī)制的概念圖
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。因此，深入認(rèn)識(shí)固態(tài)電池中的界面結(jié)構(gòu)演化機(jī)制對于高性能全固態(tài)電池材料的開發(fā)具有重要意義。
研究結(jié)果表明，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。
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。
總之，王春陽研究員與忻獲麟教授團(tuán)隊(duì)的發(fā)展人工智能輔助的透射電子顯微鏡技術(shù)，為全固態(tài)電池的穩(wěn)定性機(jī)理研究提供了新的研究方法和思路。這一研究成果不僅有助于推動(dòng)全固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，還將對我國的新材料研究產(chǎn)生積極的影響。
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