全固態鋰電池因其高安全性和高能量密度，被視為超越傳統液態鋰離子電池的下一代電池技術。然而，到目前為止，正極材料（儲存鋰離子的載體）與固態電解質（鋰離子的傳輸介質）相接觸形成的界面的不穩定性一直是制約全固態電池效能和服役壽命的瓶頸。
鋰離子電池
（圖片來源：veer圖庫）
近日，中國科學院金屬研究所聯合加州大學爾灣分校的科研團隊，利用人工智能（AI）輔助的透射電子顯微鏡（TEM）技術，在原子尺度厘清了正極/電解質界面的結構退化機制，揭示了全固態鋰電池效能衰減背後的奧秘。
全固態鋰電池是什麽？
全固態鋰電池是一種使用固態電解質代替傳統液態電解質的電池技術，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範圍，目前被認為是下一代鋰電池技術的研究熱點和主要突破方向。
如今，全固態鋰電池遇到的最大問題就是電極和電解質之間的電化學不穩定，這可是讓電池效能迅速下降的「罪魁禍首」。這種不穩定性讓層狀氧化物正極材料的結構都受到了影響，成為全固態鋰電池效能穩定的最大障礙。深入研究全固態電池中界面不穩定性導致的材料結構退化機制有望為開發高效能全固態電池提供重要的理論指導。
怎麽看電池材料的結構？
想要開發先進材料，首先要深入了解材料的結構。透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM）就是一款觀察材料內部結構的「利器」，它能在原子尺度上觀察材料，分辨率高達0.05納米，相當於頭發絲直徑的百萬分之一！在物質科學研究中，TEM可是當今世界上最重要的材料表征手段之一。位於沈陽的中國科學院金屬研究所就是中國最早開展電子顯微學研究的單位之一（該方向奠基人為中國著名電子顯微學家、晶體學家郭可信先生）。金屬所作為中國電子顯微學人才培養的搖籃，擁有各類透射電子顯微鏡多達十余台（價值數億元），在材料的電子顯微學研究方面具有深厚底蘊和一支實力強勁的科研隊伍。
透射電子顯微鏡基本構造示意圖
（圖片來源：中國科學院）
中國科學院金屬研究所的部份透射電子顯微鏡
（圖片來源：作者提供）
AI發揮了哪些作用？
電池材料的結構復雜性和不耐電子束輻照的特性給材料科學家從原子尺度認識它的相變和結構演化帶來了巨大挑戰。不過，研究團隊沒有放棄，借助人工智能在影像處理和分析方面的優勢，創造性地把摺積神經網絡派上用場，開發出原子辨識、分割與高精度定位新方法，實作了層狀氧化物正極材料的晶體結構、缺陷、復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揭示正極材料的原子結構
（圖片來源：作者提供）
透過AI輔助的TEM技術，研究團隊成功揭示了全固態鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結構退化機制。他們發現，全固態電池中的層狀氧化物正極材料的效能退化的「元兇」主要有三個。
其一是晶格失氧，即正極材料在電化學反應過程中會遺失其主要的組成元素——氧，造成材料的結構框架被破壞；其二是「晶格碎化」，即材料表面晶體結構在應力作用下發生破碎，導致材料傳輸鋰離子的能力顯著下降；其三是晶格剪下相變，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）引起的材料內部結構重新排列的現象，使得材料從初始晶體結構轉變為另一種有害的晶體結構。
層狀氧化物正極中剪下相界面結構的精細原子構型分析
（圖片來源：作者提供）
界面電化學反應誘導的層狀氧化物表面「晶格碎化」
（圖片來源：作者提供）
這項研究成果揭示了層狀氧化物正極材料在全固態鋰電池中的結構退化機制，拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，為全固態電池的正極材料和正極/電解質界面的最佳化設計提供了重要理論指導。此外，還為理解全固態電池中的界面行為提供了新視角，為開發高效能全固態鋰電池指明了方向。同時，這一研究也充分凸顯了先進電子顯微表征技術在解決能源領域核心科學問題中的重要作用。
王春陽與他的「夥伴」透射電子顯微鏡
（圖片來源：作者提供）
結語
透過人工智能輔助的TEM技術，團隊成功揭示了全固態鋰電池正極材料在原子尺度上的失效機制，這些新認識為最佳化現有材料設計提供了科學依據和重要理論指導。
未來，團隊將繼續圍繞全固態鋰電池材料結構-效能關系中的核心科學問題開展基礎研究。他們將發揮團隊在電子顯微學研究和材料科學研究兩方面的專長，透過「發現新知識、發展新方法、創造新材料」不斷突破現有技術瓶頸，為推動全固態電池的最佳化設計和新材料開發貢獻力量。
出品：科普中國
作者：王春陽（中國科學院金屬研究所）
監制：中國科普博覽
