长期以来，“安全焦虑”和“续航焦虑”是阻碍新能源汽车发展的两个难题。如何超越液态锂离子电池的局限，实现电池技术的高安全性和高能量密度？全固态锂电池有望成为解决这一问题的答案。
图为全固态锂电池层状氧化物正极的原子尺度失效机制总结
然而，电极材料与固态电解质的界面稳定性一直是固态电池发展的瓶颈。层状氧化物正极与固态电解质的界面具有不稳定性，这会诱发正极材料结构退化，从而造成全固态锂电池的性能急剧衰减。因此，深入认识固态电池中的界面结构演化机制对于高性能全固态电池材料的开发具有重要意义。
图为人工智能“超级显微镜”揭示全固态锂电池失效机制的概念图
近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员与加州大学尔湾分校忻获麟教授团队发展了人工智能辅助的透射电子显微镜技术，在全固态电池稳定性机理研究方面取得了重要进展。该研究成果以“全固态电池中层状正极化学应力失效的原子尺度起源”为题发表于《美国化学会志》。
图为界面电化学反应诱导的层状氧化物表面“晶格碎化”
团队揭示了全固态电池中的层状氧化物正极材料的原子尺度结构退化路径，发现了与液态电池中完全不同的演化机制。研究结果表明，全固态电池中层状氧化物正极材料中晶格失氧、滑移、碎化共同诱发了层状氧化物的结构退化和失效。
图为层状氧化物正极中电化学脱锂（充电）诱导的剪切相变
这是全固态锂电池稳定性机制首次在层状氧化物正极材料中被观察到。它拓展了层状氧化物正极的相变理论，有望为全固态电池的正极与电解质界面优化设计提供重要理论支撑。
据介绍，透射电子显微镜是当今物质科学研究中最强大的材料表征仪器之一。在透射电子显微成像中引入人工智能算法，可以实现对原子尺度的晶体结构、缺陷、界面等复杂结构的高精度成像和智能化解析，从而显著提高实验效率、加深对材料本质的认识、加速科学发展进程，将在材料基础研究和新材料研发方面发挥重要作用。
人工智能与先进透射电镜表征技术的结合，为科学家更深入地认识材料提供了前所未有的强大手段，已逐渐成为材料电子显微学发展的重要方向。近年来，王春阳致力于利用先进透射电子显微学技术解决电池材料中的核心科学问题，在该领域作出了突出的研究贡献，先后荣获美国电子显微学会博后学者奖，并入选《麻省理工科技评论》杂志“35岁以下科技创新35人”中国区榜单。
随着人工智能技术的不断发展，先进表征技术将与其进一步交叉融合。“我将带领一支平均年龄不到30岁的研究队伍，继续发挥中科院金属所在电子显微学与材料研究方面的优势，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。”王春阳说道。
未来，“先进表征技术驱动的材料研发”有望成为新的科学研究范式，为推动全球材料科学、能源科学、纳米技术的发展提供新的动力。
（光明日报全媒体记者刘勇 通讯员题旭丽 图片由中国科学院金属研究所提供）
来源：光明日报全媒体记者刘勇 通讯员题旭丽 图片由中国科学院金属研究所提供
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