由高能物理所多學科中心X射線成像實驗站張凱副研究員和國內(nèi)外課題組合作,使用同步輻射納米成像和大數(shù)據(jù)挖掘技術針對鋰電池材料的研究取得了重要的進展,研究成果近期發(fā)表在Nano Letters上。
能源的生產(chǎn)和消費對全球經(jīng)濟發(fā)展和社會進步起著舉足輕重的作用。各國政府都加大了對于新能源技術的投入,期待開發(fā)清潔、可再生能源。其中,以鋰電池為代表的高效儲能器件已成為新能源研究的重要方向之一。在該研究領域,電池是典型的復合多尺度異質(zhì)系統(tǒng)。雖然基本的離子遷移發(fā)生在原子尺度,但是最重要的器件性能指標,例如能量密度、高速充/放電能力和材料壽命等都取決于多個不同尺度的聯(lián)合效應。因此,在微觀、介觀到宏觀尺度范圍內(nèi)研究復合電極的三維結(jié)構、元素分布和價態(tài)信息以及晶相等信息,對理解器件內(nèi)離子和電荷的遷移以及研發(fā)高效率、高穩(wěn)定性的電池材料至關重要。
近年來,隨著新一代的高能量、高亮度的同步輻射光源的不斷涌現(xiàn),具有納米量級空間分辨能力的X射線成像技術得到了快速發(fā)展。結(jié)合近邊吸收譜技術,納米分辨譜學成像技術可以在原位環(huán)境下無損重構鋰電池中電極材料的三維結(jié)構信息、元素分布和價態(tài)信息,進而幫助人們了解電池材料的宏觀性質(zhì)和微觀物質(zhì)結(jié)構之間的相互聯(lián)系。這些信息不僅從應用角度有助于材料科學家進一步改進電池材料的性質(zhì),而且對電池材料失效機制的基礎科學研究也有著重要的價值。
另一方面,與高亮度的同步輻射光源等大科學裝置上的其它實驗技術類似,同步輻射納米分辨譜學成像技術將產(chǎn)生海量的實驗數(shù)據(jù)。這些科學大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生對數(shù)據(jù)處理技術帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。在傳統(tǒng)的研究方式中,人們對數(shù)據(jù)的認知多專注于數(shù)據(jù)之間簡單的因果關系。而科研大數(shù)據(jù)則要求尋找數(shù)據(jù)之間的弱關聯(lián)和邏輯性,最終形成精煉的科研數(shù)據(jù)信息,并且總結(jié)出具有歸納性、自動化性、可視性的結(jié)論。隨著科研大數(shù)據(jù)時代的來臨,如何做好對大數(shù)據(jù)的處理、整合和發(fā)掘從而得出更有價值的信息,是當前科學技術發(fā)展需要解決的關鍵問題之一。
針對納米成像方法學和應用研究,我所多學科中心X射線成像實驗站近年來開展了大量的工作。其中,張凱副研究員和國內(nèi)外課題組合作,利用同步輻射納米分辨譜學成像和大數(shù)據(jù)挖掘技術在針對能源材料的研究中近期獲得了較好的研究成果。研究團隊利用同步輻射納米譜學成像技術,深入研究了鋰離子電池重要正極材料鈷酸鋰(LiCoO2)。在原位實驗條件下,他們實時觀察單個電極顆粒隨著充放電速率的變化而發(fā)生的化學價態(tài)重新分布(圖1,ACS Energy Lett. 2, 1240-1245 (2017))。這個工作表明正極材料鈷酸鋰(LiCoO2)電極顆粒能夠根據(jù)化學環(huán)境的變化而進行自身的調(diào)整。為了使研究結(jié)果更具有統(tǒng)計性,該研究團隊又對軟包電池中上百個LiCoO2顆粒進行納米尺度譜學成像。在短時間里他們采集了上千萬條X射線近邊吸收譜,并進行了深入的大數(shù)據(jù)挖掘。他們首先對X射線近邊吸收譜進行特征值提取,再利用多種數(shù)據(jù)聚類算法,實現(xiàn)了對海量X射線近邊吸收譜的快速分析和識別,進而獲得了電池顆粒的結(jié)構、形貌、價態(tài)分布之間的關聯(lián),首次直接在鈷酸鋰電池中觀測到了Co離子溶解和金屬Co重新沉積以及局部過渡嵌鋰導致材料失效的現(xiàn)象(圖2,Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03985 (2017)])。這項工作為研究人員了解鈷酸鋰電池的性能衰減機制提供了有效的幫助,并對該材料的性能改善起到了重要指導作用。更重要的是,研究中所采用的大數(shù)據(jù)分析方法,對利用大科學裝置開展的前沿研究的眾多學科領域都具有重要的借鑒意義。
圖1. 原位觀測單顆粒鈷酸鋰(LiCoO2)電池材料在23次充放電過程中隨著充放電速率的不同而產(chǎn)生的化學價態(tài)分布信息。圖中紅色代表鈷酸鋰(LiCoO2)電池顆粒在充電狀態(tài)(Co4+)下的化學價態(tài)分布信息,綠色代表鈷酸鋰(LiCoO2)電池顆粒在放電狀態(tài)(Co3+)下的化學價態(tài)分布信息。
圖2. 大數(shù)據(jù)采集:利用納米分辨X射線譜學成像技術可以原位、快速的獲得海量的樣品的結(jié)構信息和譜學信息。大數(shù)據(jù)分析:通過對X射線近邊吸收譜進行特征提取,再利用多種數(shù)據(jù)聚類算法,實現(xiàn)了對海量X射線近邊吸收譜的快速分析和識別。研究結(jié)果:觀測到了Co離子溶解和金屬Co重新沉積以及局部過渡嵌鋰導致材料失效的現(xiàn)象
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