王家鈞教授課題組合影
文章內(nèi)容簡(jiǎn)介
鋰離子電池由于較高的能量密度已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。然而，其在電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能方面的潛在應(yīng)用亟需更高的能量密度(>500 Wh/kg-1)。固態(tài)電池使用高安全的固體電解質(zhì)取代易燃的液態(tài)(有機(jī))電解質(zhì)，同時(shí)復(fù)興超高能量密度的金屬鋰負(fù)極，極有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然而，固-固界面緩慢的鋰離子傳輸嚴(yán)重影響了電池實(shí)際反應(yīng)中的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。此外，與相對(duì)完整的固液電化學(xué)基礎(chǔ)理論不同，固態(tài)電池中的固固界面電化學(xué)基礎(chǔ)理論和模型仍然不清晰，難以指導(dǎo)電池性能的優(yōu)化和提升。因此，設(shè)計(jì)更好的下一代電化學(xué)儲(chǔ)能器件仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
同步輻射X射線成像技術(shù)由于其元素敏感性高、穿透性強(qiáng)及能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到人們的關(guān)注。基于其衍生的納米斷層成像技術(shù)，可以提供從表面到體相的三維空間形態(tài)信息，精準(zhǔn)映射真實(shí)的物相本體結(jié)構(gòu)。此外，結(jié)合X射線吸收光譜成像技術(shù)，可以呈現(xiàn)化學(xué)和相位演變信息，包括氧化狀態(tài)、局域環(huán)境等，解決了傳統(tǒng)X光吸收光譜中只能獲取平均信息的問(wèn)題。目前，該技術(shù)的最高空間分辨率可達(dá)到20納米以下。基于X射線成像技術(shù)，我們可以通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)充放電裝置研究不同充放電狀態(tài)和循環(huán)次數(shù)下的材料、電極形態(tài)變化與化學(xué)演化的相關(guān)性。此外，X射線成像使得大而厚的樣品具有廣闊的視野，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上揭示真實(shí)電池系統(tǒng)的內(nèi)部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
請(qǐng)問(wèn)您選擇該領(lǐng)域的初心是?
王家鈞教授：新能源技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的高新技術(shù)，電池行業(yè)作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，已成為全球研究熱點(diǎn)。我所在的哈工大電化學(xué)工程系，自上世紀(jì)60年代建系開(kāi)始，緊密圍繞國(guó)家需求，從早期的鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池，到后來(lái)的鋰電池、燃料電池，經(jīng)歷了整個(gè)中國(guó)電池工業(yè)的研發(fā)歷史。受其影響，我從讀書開(kāi)始，就希望未來(lái)能在下一代電池技術(shù)方面，做出一點(diǎn)自己有意義的貢獻(xiàn)。因此，在任美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源線站科學(xué)家期間，結(jié)合自己在電化學(xué)方面的背景，努力將同步輻射X射線多維成像技術(shù)，應(yīng)用于電池的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域。回國(guó)前，我的研究工作主要圍繞傳統(tǒng)液態(tài)電池體系，揭示電極材料在電化學(xué)過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理。目前，不論是科研界還是產(chǎn)業(yè)界，都對(duì)電池的安全性和能量密度提出了新要求，應(yīng)用不可燃固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池被認(rèn)為是最具前景的下一代電池體系。但固態(tài)電池中的問(wèn)題也很多，尤其是固-固界面問(wèn)題嚴(yán)重限制了固態(tài)電池的實(shí)際性能發(fā)揮。同時(shí)，對(duì)固態(tài)電池體系中的界面表征非常困難，常規(guī)的表征手段受限于時(shí)間、空間等諸多外部因素影響，難以客觀揭示固態(tài)電池體系內(nèi)部的真實(shí)情況。因此，回國(guó)后，我們團(tuán)隊(duì)聚焦固態(tài)電池領(lǐng)域，利用X射線同步輻射成像技術(shù)，建立針對(duì)固態(tài)電池體系的表征和分析方法，對(duì)其展開(kāi)深入研究，揭示固態(tài)電池的失效機(jī)理，從而指導(dǎo)固態(tài)電池的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，希望通過(guò)我們的研究工作切實(shí)推動(dòng)固態(tài)電池的發(fā)展及應(yīng)用，為新能源領(lǐng)域貢獻(xiàn)一份力量。
請(qǐng)和大家分享一下這個(gè)領(lǐng)域可能會(huì)出現(xiàn)的研究機(jī)會(huì)?
王家鈞教授：
近年來(lái)，得益于同步輻射光源成像技術(shù)及先進(jìn)電池體系的持續(xù)發(fā)展，同步輻射X射線成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從微米尺度到納米分辨的跨尺度三維無(wú)損成像。盡管其在液、固態(tài)電池體系及電極材料-性能構(gòu)效關(guān)系解析上得到了廣泛應(yīng)用研究，并闡明了諸多科學(xué)性問(wèn)題。然而，我們認(rèn)為同步輻射X射線成像在固態(tài)電化學(xué)中的應(yīng)用仍有待完善，一方面是對(duì)于該技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)高時(shí)間-空間分辨率，從而捕捉更準(zhǔn)確的電化學(xué)反應(yīng)步驟。我們知道在持續(xù)充放電過(guò)程中相變過(guò)程通常是非常短暫的，因此高時(shí)間分辨率是必不可少的。另外，目前成像技術(shù)在數(shù)據(jù)有效采集時(shí)間內(nèi)的空間分辨率仍然不能精確地俘獲暫態(tài)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息，這將成為相關(guān)研究人員不斷追求的研究方向和目標(biāo)。另一方面，我們認(rèn)為將同步輻射X射線成像結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)(深度學(xué)習(xí))實(shí)現(xiàn)圖像智能識(shí)別這一前沿領(lǐng)域存在許多研究機(jī)會(huì)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析策略開(kāi)發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘方法，可以有效提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，同時(shí)不斷優(yōu)化核心算法可以提高結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息的準(zhǔn)確性。我們也同樣期待能夠在這些領(lǐng)域做出重大突破。
您認(rèn)為該領(lǐng)域當(dāng)前最值得關(guān)注/最有爭(zhēng)議的研究熱點(diǎn)是什么?
王家鈞教授：
圖像智能分析與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。電池的性能與電極材料中各組分的空間分布密切相關(guān)。因此，深入理解電極中不同組分的形貌、力學(xué)以及電化學(xué)變化有利于我們深度解析電池中的電化學(xué)問(wèn)題。然而，目前的同步輻射成像技術(shù)往往對(duì)電極材料中低對(duì)比度的組分難以精準(zhǔn)識(shí)別和分割，不利于我們區(qū)分電極中各組分的變化。同時(shí)，基于三維電極結(jié)構(gòu)的半真實(shí)模型極度依賴于圖片信息的精確切割和定量分析，所以通過(guò)深度學(xué)習(xí)指導(dǎo)，協(xié)助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)低對(duì)比度區(qū)域成像結(jié)果的精準(zhǔn)分割，將會(huì)進(jìn)一步幫助我們采用多種綜合手段模擬和理解電極材料中組分、空隙以及形態(tài)演變對(duì)電池性能影響機(jī)制等多種科學(xué)問(wèn)題。
固態(tài)電池跨尺度的無(wú)損分析。通常，固態(tài)電池在運(yùn)行過(guò)程中，電極材料在多尺度的界面及內(nèi)部空間尺度上會(huì)存在電化學(xué)反應(yīng)不均勻現(xiàn)象，此類不均勻的反應(yīng)對(duì)電極材料顆粒所產(chǎn)生的影響不同，具體表現(xiàn)為顆粒荷電態(tài)、應(yīng)力、乃至碎裂程度等結(jié)果。常規(guī)的表征方法很難穿透真實(shí)的電池樣品、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息量有限，難以反映最真實(shí)的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。利用同步輻射X射線成像技術(shù)可以獲得大視場(chǎng)多層級(jí)的海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行深入的篩選和分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說(shuō)服力，能夠揭示電極尺度的最真實(shí)反應(yīng)狀態(tài)，從而指導(dǎo)電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的解析和調(diào)控。
工業(yè)級(jí)退役電池診斷。隨著新能源產(chǎn)業(yè)(電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能等)的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池的更換和退役數(shù)量越來(lái)越多，如何來(lái)對(duì)這些退役電池進(jìn)行整體診斷和評(píng)估，得出再利用價(jià)值和方向顯得尤為重要。此時(shí)，同步輻射X射線成像技術(shù)則顯示出了優(yōu)異性，利用該技術(shù)可以協(xié)助電池智能檢測(cè)，進(jìn)行批次篩分，推動(dòng)電池的梯次利用和再生利用。此外，利用該技術(shù)可以對(duì)健康電池進(jìn)行故障診斷及分析，例如電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電池的安全問(wèn)題日益突出，那么我們可以通過(guò)同步輻射成像技術(shù)無(wú)損檢測(cè)電池結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，來(lái)減少甚至避免電池安全問(wèn)題的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)更高效的電池健康診斷和篩分。
