人工智能加電鏡 全固態(tài)鋰電池研究取得重大科學(xué)進(jìn)展
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】在能源存儲領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池因其高安全性與高能量密度，被視為傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的有力接班人。然而，全固態(tài)電池商業(yè)化道路上的關(guān)鍵障礙之一在于電極材料(正極與負(fù)極)與固態(tài)電解質(zhì)之間界面的不穩(wěn)定性問題，這極大地限制了其性能與壽命。尤其是，高鎳層狀氧化物正極材料，作為當(dāng)前主流的正極材料之一，其本征電化學(xué)不穩(wěn)定性在全固態(tài)電池環(huán)境中更為顯著，導(dǎo)致電池性能快速衰減。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的王春陽研究員與加州大學(xué)爾灣分校的忻獲麟教授團(tuán)隊(duì)，在前期對液態(tài)鋰電正極材料失效機(jī)制的深入研究基礎(chǔ)上(發(fā)表于Nature Materials, Matter, Nano Letters等頂級期刊)，針對全固態(tài)電池正極材料的失效機(jī)制展開了深入探索，并取得了重要科學(xué)突破。他們的研究成果以“Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries”為題，在《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)上發(fā)表，揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料在原子尺度的獨(dú)特失效機(jī)理。
該研究利用人工智能輔助的透射電子顯微鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對正極材料微觀結(jié)構(gòu)的精確表征，發(fā)現(xiàn)了全固態(tài)電池環(huán)境下晶格失氧與局部應(yīng)力耦合導(dǎo)致的表面“晶格碎化”現(xiàn)象，以及脫鋰過程中剪切相變的誘導(dǎo)作用。其中，“晶格碎化”表現(xiàn)為納米級多晶巖鹽相的形成，這一新發(fā)現(xiàn)的失效模式對理解全固態(tài)電池正極材料的退化過程具有重要意義。此外，研究還揭示了與傳統(tǒng)液態(tài)電池截然不同的剪切界面新構(gòu)型和大尺寸O1相的形成，這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了層狀氧化物正極材料的相變退化理論，也為未來正極材料和界面的優(yōu)化設(shè)計提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。
此項(xiàng)研究展示了先進(jìn)電子顯微學(xué)表征技術(shù)在能源材料科學(xué)中的強(qiáng)大潛力，對于推動全固態(tài)鋰電池技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，全固態(tài)電池有望在未來實(shí)現(xiàn)更加安全、高效、長壽命的能源存儲解決方案，為電動汽車、可穿戴設(shè)備、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域帶來革命性的變革。
素材來源：中國科學(xué)院金屬研究
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