出品：科普中国

作者：王春阳（中国科学院金属研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

全固态锂电池因其高安全性和高能量密度，被视为超越传统液态锂离子电池的下一代电池技术。然而，到目前为止，正极材料（储存锂离子的载体）与固态电解质（锂离子的传输介质）相接触形成的界面的不稳定性一直是制约全固态电池性能和服役寿命的瓶颈。

锂离子电池

（图片来源：veer图库）

近日，中国科学院金属研究所联合加州大学尔湾分校的科研团队，利用人工智能（AI）辅助的透射电子显微镜（TEM）技术，在原子尺度厘清了正极/电解质界面的结构退化机制，揭示了全固态锂电池性能衰减背后的奥秘。

全固态锂电池是什么？

全固态锂电池是一种使用固态电解质代替传统液态电解质的电池技术，因其具有更高的安全性、更高的能量密度和更宽的工作温度范围，目前被认为是下一代锂电池技术的研究热点和主要突破方向。

如今，全固态锂电池遇到的最大问题就是电极和电解质之间的电化学不稳定，这可是让电池性能迅速下降的“罪魁祸首”。这种不稳定性让层状氧化物正极材料的结构都受到了影响，成为全固态锂电池性能稳定的最大障碍。深入研究全固态电池中界面不稳定性导致的材料结构退化机制有望为开发高性能全固态电池提供重要的理论指导。

怎么看电池材料的结构？

想要开发先进材料，首先要深入了解材料的结构。透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）就是一款观察材料内部结构的“利器”，它能在原子尺度上观察材料，分辨率高达0.05纳米，相当于头发丝直径的百万分之一！在物质科学研究中，TEM可是当今世界上最重要的材料表征手段之一。位于沈阳的中国科学院金属研究所就是我国最早开展电子显微学研究的单位之一（该方向奠基人为我国著名电子显微学家、晶体学家郭可信先生）。金属所作为我国电子显微学人才培养的摇篮，拥有各类透射电子显微镜多达十余台（价值数亿元），在材料的电子显微学研究方面具有深厚底蕴和一支实力强劲的科研队伍。

透射电子显微镜基本构造示意图

（图片来源：中国科学院）

中国科学院金属研究所的部分透射电子显微镜

（图片来源：作者提供）

AI发挥了哪些作用？

电池材料的结构复杂性和不耐电子束辐照的特性给材料科学家从原子尺度认识它的相变和结构演化带来了巨大挑战。不过，研究团队没有放弃，借助人工智能在图像处理和分析方面的优势，创造性地把卷积神经网络派上用场，开发出原子识别、分割与高精度定位新方法，实现了层状氧化物正极材料的晶体结构、缺陷、复杂相界面的原子级高精度成像和分析。

概念图：人工智能透射电镜技术揭示正极材料的原子结构

（图片来源：作者提供）

通过AI辅助的TEM技术，研究团队成功揭示了全固态锂电层状氧化物正极材料的原子尺度结构退化机制。他们发现，全固态电池中的层状氧化物正极材料的性能退化的“元凶”主要有三个。

其一是晶格失氧，即正极材料在电化学反应过程中会丢失其主要的组成元素——氧，造成材料的结构框架被破坏；其二是“晶格碎化”，即材料表面晶体结构在应力作用下发生破碎，导致材料传输锂离子的能力显著下降；其三是晶格剪切相变，它是一种脱锂过程（即电池充电过程中锂离子被从正极材料中脱出）引起的材料内部结构重新排列的现象，使得材料从初始晶体结构转变为另一种有害的晶体结构。

层状氧化物正极中剪切相界面结构的精细原子构型分析

（图片来源：作者提供）

界面电化学反应诱导的层状氧化物表面“晶格碎化”

（图片来源：作者提供）

这项研究成果揭示了层状氧化物正极材料在全固态锂电池中的结构退化机制，拓展了层状氧化物正极的相变退化理论，为全固态电池的正极材料和正极/电解质界面的优化设计提供了重要理论指导。此外，还为理解全固态电池中的界面行为提供了新视角，为开发高性能全固态锂电池指明了方向。同时，这一研究也充分凸显了先进电子显微表征技术在解决能源领域核心科学问题中的重要作用。

王春阳与他的“伙伴”透射电子显微镜

（图片来源：作者提供）

结语

通过人工智能辅助的TEM技术，团队成功揭示了全固态锂电池正极材料在原子尺度上的失效机制，这些新认识为优化现有材料设计提供了科学依据和重要理论指导。

未来，团队将继续围绕全固态锂电池材料结构-性能关系中的核心科学问题开展基础研究。他们将发挥团队在电子显微学研究和材料科学研究两方面的专长，通过“发现新知识、发展新方法、创造新材料”不断突破现有技术瓶颈，为推动全固态电池的优化设计和新材料开发贡献力量。

来源: 中国科普博览

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