燕山大學王飛，Advanced Materials綜述：單顆粒尺度構效關系的研究為高性能電池的發展提供了新的思路
【文章資訊】
單顆粒尺度構效關系的研究為高性能電池的發展提供了新的思路
第一作者：王飛
通訊作者：王飛*，吳帆*，黃玉東*
機關：燕山大學，中北大學，哈爾濱工業大學
【研究背景】
随着電動汽車、便攜式電子裝置和工具對電池能量密度和功率密度的要求越來越高，不斷提高電池性能是研究的重點。準确測量活性材料的構效度關系是推進高性能電池研究的關鍵。然而，傳統的活性材料性能測試是基于對含有活性材料、聚合物粘合劑和導電碳添加劑的多孔複合電極的電化學測量，這并不能與微區的實體表征建立準确的構效關系。為了促進對材料構效關系的準确測量和了解，本文綜述了儲能材料在單顆粒尺度上的電化學測量和實體表征。提出了單顆粒電化學測量和實體表征中存在的潛在問題和可能的改進方案。展望了它們在單顆粒電化學模拟和機器學習中的潛在應用前景。旨在進一步促進單顆粒電化學測量和實體表征在儲能材料中的應用，希望在單顆粒尺度實作電化學測量、實體表征、和理論模拟的三維統一評價，為高性能電池的發展提供新的靈感。
【文章簡介】
近日，燕山大學王飛等，在國際知名期刊Advanced Materials上發表題為“Investigation of the Single-Particle Scale Structure–Activity Relationship Providing New Insights for the Development of High-Performance Batteries”的觀點文章。該觀點文章綜述了儲能材料在單顆粒尺度上的電化學測量和實體表征，同時展望了它們在單顆粒電化學模拟和機器學習中的潛在應用前景。
圖1. 綜述主題結構示意圖。
【本文要點】
要點一：儲能材料單顆粒的電化學測量
研究儲能材料性能的傳統方法是測量含有活性材料、聚合物粘合劑和導電碳添加劑的多孔複合電極的性能。複合電極的粘結劑、導電劑和電極結構對電化學試驗結果有顯著影響，不利于揭示儲能材料固有的電化學動力學和性能。
複合電極的電化學測量一般假定電解質中的離子輸運和電子向活性中心的輸運不是速率控制步驟。然而，在研究儲能材料的快速充放電性能時，電子必須通過許多固固界面到達活性中心，電解質中的離子必須長距離移動才能到達活性材料表面。離子和電子在複合電極中的輸運可能成為快速充放電性能中的速率控制步驟，這将影響活性材料快速充放電性能的準确測量。複合電極的電化學測量可以看作是簡單的實驗裝置和某些動力學參數的準确性之間的一種折衷，如交換電流密度和擴散系數。儲能材料的單顆粒電化學測量可以比複合電極更準确地測量活性材料的固有電化學資訊。通過對單顆粒的電化學測量和實體表征，可以建立儲能材料的準确構效關系。目前報道的儲能材料的單顆粒電化學測量技術主要包括基于微電極的單顆粒電化學測量和掃描電化學池顯微鏡（SECCM）等。
圖2 基于微電極的儲能材料單顆粒電化學測量
圖3 基于微電極的儲能材料單顆粒電化學測量
圖3 基于掃描電化學池顯微鏡（SECCM）單顆粒電化學測量及與原位實體表征聯用
圖4 基于掃描離子電導顯微術、電化學應變顯微鏡、掃描電化學顯微鏡、納米碰撞的電化學測量
要點二：儲能材料單顆粒的實體表征
實時跟蹤和了解功能材料在納米或微米尺度下在原位或操作條件下發生的動态過程，有助于推進先進的锂離子電池材料和技術的發展，特别是電池的快速充電技術。光學幹涉散射顯微鏡（ISCAT）、表面等離子體共振顯微術（SPRM）等是快速、高通量、低成本的成像平台，可實作快速、高靈敏度、高通量的信号采集，可以在單顆粒尺度上可視化和量化離子動力學。
圖5 基于光學幹涉散射顯微鏡（ISCAT）、表面等離子體共振顯微術（SPRM）的原位表征
低加速電壓、環境室、液體電池支架等原位透射電鏡技術的迅速發展，可以很好地揭示儲能材料反應過程的理化參數，能夠在原子分辨率監測活性材料的組成和結構演變、相變和動态界面行為方面具有顯著優勢。同時，x射線顯微鏡表征技術在提供材料的結構成分和形态資訊方面表現出色。
圖5 基于原位TEM的原位表征
圖6 基于x射線顯微鏡的原位表征
要點三：展望與結論
單顆粒的電化學測量結合單顆粒的原位或非原位實體表征，可以在單顆粒水準上準确反映活性材料的構效關系，為高性能電池的合理設計和優化提供新的視角。為了更好地了解電池内部發生的複雜過程，研究人員不僅依靠實驗，而且越來越多地依靠模型模拟。理論模拟被廣泛用于模拟锂離子電池内部發生的實體和電化學過程，可以深入了解電池内部的電化學反應、離子擴散、體積變化、應力變化、産熱和傳導等複雜過程。合理的仿真有助于解決電池研究中的核心問題，如:1、電池的容量衰減和循環壽命預測;ii:實時評估電池的SOC和健康狀态(SOH);ⅲ:活性材料、電極結構、電解液的優化設計；理論模型在锂離子電池研究中面臨着一些挑戰，例如，模型的準确性很大程度上取決于輸入參數的準确性。這些參數通常是通過實驗确定的，有潛在的誤差。
将電化學測量與實體表征在單顆粒尺度上統一起來，可以為電池的理論模拟提供準确的電化學及相應的實體結構參數。如單顆粒電化學測量發現，單顆粒儲能材料與複合電極在倍率和循環性能上存在較大差異。這表明電池和電極的進一步優化仍有很大的空間，以提高電池的性能。單顆粒尺度電化學測量和實體表征可以為精确建構多尺度、多實體場電池模型提供準确的活性材料結構-活性參數，有望為未來儲能技術帶來更多突破和創新。特别是，在單顆粒水準上對材料的實體特性、電化學測量和理論模拟進行高度統一的三維評價，對于了解各種儲能材料的儲能機制、衰變機制和活性材料-電解質界面等核心問題至關重要。
在人工智能和機器學習技術快速發展的背景下，擷取準确的電化學資訊以及相應的儲能材料的實體組成和結構資訊，對于人工智能在電池領域的應用顯得尤為關鍵。準确的資訊不僅是建立準确的電池電化學模型的關鍵，也是機器學習模型訓練和優化的重要基礎。在可預見的未來，人工智能(AI)的應用将大大加速高性能電池的發展。
圖7單顆粒水準電化學測量和實體表征提供準确的基礎資料資訊促進人工智能在電池研究中應用的示意圖。
近年來，單顆粒尺度的電化學測量和實體表征技術取得了重大進展，為了解儲能材料的儲能機理、衰變機理和活性材料-電解質界面等核心問題提供了有力支援。本文綜述了單顆粒尺度下儲能材料的電化學測量和實體表征，旨在促進準确的構效關系測量和表征在高性能電池開發中的進一步應用。雖然單顆粒電化學測量在揭示儲能材料的内在特性方面發揮着越來越重要的作用，但目前面臨的挑戰是如何将單顆粒電化學測量與單顆粒原位實體表征技術有機地結合起來，進而更全面、更深入地了解活性材料在電化學過程中的行為和機理。開發一種簡單、高信噪比的單顆粒電化學測量方法，對于實作單顆粒尺度電化學測量與實體表征的統一具有重要意義。
目前，單顆粒電化學測試結合原位透射和光譜實體表征的應用确實顯示出很大的可行性。在人工智能和計算能力快速發展的背景下，單顆粒尺度的電化學測量和實體表征在準确揭示活性物質的構效關系方面發揮着越來越重要的作用。這種對結構-活性關系的準确了解對單顆粒模拟和大規模電池模型具有重要價值，有助于進一步優化電池性能和設計創新。
【文章連結】
“Investigation of the Single-Particle Scale Structure–Activity Relationship Providing New Insights for the Development of High-Performance Batteries”
https://doi.org/10.1002/adma.202400683
【通訊作者簡介】
王飛簡介：王飛于2017年獲得哈爾濱工業大學化學工程碩士學位，2021年在哈爾濱工業大學獲得化學工程與技術博士學位。畢業後，他前往中國科學院長春應用化學研究所進行博士後研究。2023年加入燕山大學，專注于先進電池化學中的電化學儲能材料和聚合物電解質的研究。以第一作者和通訊作者身份在Advanced Materials, ACS nano, Cell Reports Physical Science, Chemical Engineering Journal, Nano Research, Rare Metals等學術刊物上發表多篇研究論文。
吳帆簡介：于2017年在哈爾濱工業大學獲得材料化學學士學位，2023年在哈爾濱工業大學獲得化學工程與技術博士學位。畢業後，她加入了中北大學，專注于先進電池化學聚合物的研究。
黃玉東簡介：黃玉東在哈爾濱工業大學工作30多年，兩次獲得國家技術發明獎二等獎。研究重點是聚合物反應工程和界面化學工程的關鍵技術和工程研究。