燕山大学王飞，Advanced Materials综述：单颗粒尺度构效关系的研究为高性能电池的发展提供了新的思路
【文章信息】
单颗粒尺度构效关系的研究为高性能电池的发展提供了新的思路
第一作者：王飞
通讯作者：王飞*，吴帆*，黄玉东*
单位：燕山大学，中北大学，哈尔滨工业大学
【研究背景】
随着电动汽车、便携式电子设备和工具对电池能量密度和功率密度的要求越来越高，不断提高电池性能是研究的重点。准确测量活性材料的构效度关系是推进高性能电池研究的关键。然而，传统的活性材料性能测试是基于对含有活性材料、聚合物粘合剂和导电碳添加剂的多孔复合电极的电化学测量，这并不能与微区的物理表征建立准确的构效关系。为了促进对材料构效关系的准确测量和理解，本文综述了储能材料在单颗粒尺度上的电化学测量和物理表征。提出了单颗粒电化学测量和物理表征中存在的潜在问题和可能的改进方案。展望了它们在单颗粒电化学模拟和机器学习中的潜在应用前景。旨在进一步促进单颗粒电化学测量和物理表征在储能材料中的应用，希望在单颗粒尺度实现电化学测量、物理表征、和理论模拟的三维统一评价，为高性能电池的发展提供新的灵感。
【文章简介】
近日，燕山大学王飞等，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Investigation of the Single-Particle Scale Structure–Activity Relationship Providing New Insights for the Development of High-Performance Batteries”的观点文章。该观点文章综述了储能材料在单颗粒尺度上的电化学测量和物理表征，同时展望了它们在单颗粒电化学模拟和机器学习中的潜在应用前景。
图1. 综述主题结构示意图。
【本文要点】
要点一：储能材料单颗粒的电化学测量
研究储能材料性能的传统方法是测量含有活性材料、聚合物粘合剂和导电碳添加剂的多孔复合电极的性能。复合电极的粘结剂、导电剂和电极结构对电化学试验结果有显著影响，不利于揭示储能材料固有的电化学动力学和性能。
复合电极的电化学测量一般假定电解质中的离子输运和电子向活性中心的输运不是速率控制步骤。然而，在研究储能材料的快速充放电性能时，电子必须通过许多固固界面到达活性中心，电解质中的离子必须长距离移动才能到达活性材料表面。离子和电子在复合电极中的输运可能成为快速充放电性能中的速率控制步骤，这将影响活性材料快速充放电性能的准确测量。复合电极的电化学测量可以看作是简单的实验装置和某些动力学参数的准确性之间的一种折衷，如交换电流密度和扩散系数。储能材料的单颗粒电化学测量可以比复合电极更准确地测量活性材料的固有电化学信息。通过对单颗粒的电化学测量和物理表征，可以建立储能材料的准确构效关系。目前报道的储能材料的单颗粒电化学测量技术主要包括基于微电极的单颗粒电化学测量和扫描电化学池显微镜（SECCM）等。
图2 基于微电极的储能材料单颗粒电化学测量
图3 基于微电极的储能材料单颗粒电化学测量
图3 基于扫描电化学池显微镜（SECCM）单颗粒电化学测量及与原位物理表征联用
图4 基于扫描离子电导显微术、电化学应变显微镜、扫描电化学显微镜、纳米碰撞的电化学测量
要点二：储能材料单颗粒的物理表征
实时跟踪和了解功能材料在纳米或微米尺度下在原位或操作条件下发生的动态过程，有助于推进先进的锂离子电池材料和技术的发展，特别是电池的快速充电技术。光学干涉散射显微镜（ISCAT）、表面等离子体共振显微术（SPRM）等是快速、高通量、低成本的成像平台，可实现快速、高灵敏度、高通量的信号采集，可以在单颗粒尺度上可视化和量化离子动力学。
图5 基于光学干涉散射显微镜（ISCAT）、表面等离子体共振显微术（SPRM）的原位表征
低加速电压、环境室、液体电池支架等原位透射电镜技术的迅速发展，可以很好地揭示储能材料反应过程的理化参数，能够在原子分辨率监测活性材料的组成和结构演变、相变和动态界面行为方面具有显著优势。同时，x射线显微镜表征技术在提供材料的结构成分和形态信息方面表现出色。
图5 基于原位TEM的原位表征
图6 基于x射线显微镜的原位表征
要点三：展望与结论
单颗粒的电化学测量结合单颗粒的原位或非原位物理表征，可以在单颗粒水平上准确反映活性材料的构效关系，为高性能电池的合理设计和优化提供新的视角。为了更好地理解电池内部发生的复杂过程，研究人员不仅依靠实验，而且越来越多地依靠模型模拟。理论模拟被广泛用于模拟锂离子电池内部发生的物理和电化学过程，可以深入了解电池内部的电化学反应、离子扩散、体积变化、应力变化、产热和传导等复杂过程。合理的仿真有助于解决电池研究中的核心问题，如:1、电池的容量衰减和循环寿命预测;ii:实时评估电池的SOC和健康状态(SOH);ⅲ:活性材料、电极结构、电解液的优化设计；理论模型在锂离子电池研究中面临着一些挑战，例如，模型的准确性很大程度上取决于输入参数的准确性。这些参数通常是通过实验确定的，有潜在的误差。
将电化学测量与物理表征在单颗粒尺度上统一起来，可以为电池的理论模拟提供准确的电化学及相应的物理结构参数。如单颗粒电化学测量发现，单颗粒储能材料与复合电极在倍率和循环性能上存在较大差异。这表明电池和电极的进一步优化仍有很大的空间，以提高电池的性能。单颗粒尺度电化学测量和物理表征可以为精确构建多尺度、多物理场电池模型提供准确的活性材料结构-活性参数，有望为未来储能技术带来更多突破和创新。特别是，在单颗粒水平上对材料的物理特性、电化学测量和理论模拟进行高度统一的三维评价，对于理解各种储能材料的储能机制、衰变机制和活性材料-电解质界面等核心问题至关重要。
在人工智能和机器学习技术快速发展的背景下，获取准确的电化学信息以及相应的储能材料的物理组成和结构信息，对于人工智能在电池领域的应用显得尤为关键。准确的信息不仅是建立准确的电池电化学模型的关键，也是机器学习模型训练和优化的重要基础。在可预见的未来，人工智能(AI)的应用将大大加速高性能电池的发展。
图7单颗粒水平电化学测量和物理表征提供准确的基础数据信息促进人工智能在电池研究中应用的示意图。
近年来，单颗粒尺度的电化学测量和物理表征技术取得了重大进展，为理解储能材料的储能机理、衰变机理和活性材料-电解质界面等核心问题提供了有力支持。本文综述了单颗粒尺度下储能材料的电化学测量和物理表征，旨在促进准确的构效关系测量和表征在高性能电池开发中的进一步应用。虽然单颗粒电化学测量在揭示储能材料的内在特性方面发挥着越来越重要的作用，但目前面临的挑战是如何将单颗粒电化学测量与单颗粒原位物理表征技术有机地结合起来，从而更全面、更深入地了解活性材料在电化学过程中的行为和机理。开发一种简单、高信噪比的单颗粒电化学测量方法，对于实现单颗粒尺度电化学测量与物理表征的统一具有重要意义。
目前，单颗粒电化学测试结合原位透射和光谱物理表征的应用确实显示出很大的可行性。在人工智能和计算能力快速发展的背景下，单颗粒尺度的电化学测量和物理表征在准确揭示活性物质的构效关系方面发挥着越来越重要的作用。这种对结构-活性关系的准确理解对单颗粒模拟和大规模电池模型具有重要价值，有助于进一步优化电池性能和设计创新。
【文章链接】
“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
【通讯作者简介】
王飞简介：王飞于2017年获得哈尔滨工业大学化学工程硕士学位，2021年在哈尔滨工业大学获得化学工程与技术博士学位。毕业后，他前往中国科学院长春应用化学研究所进行博士后研究。2023年加入燕山大学，专注于先进电池化学中的电化学储能材料和聚合物电解质的研究。以第一作者和通讯作者身份在Advanced Materials, ACS nano, Cell Reports Physical Science, Chemical Engineering Journal, Nano Research, Rare Metals等学术刊物上发表多篇研究论文。
吴帆简介：于2017年在哈尔滨工业大学获得材料化学学士学位，2023年在哈尔滨工业大学获得化学工程与技术博士学位。毕业后，她加入了中北大学，专注于先进电池化学聚合物的研究。
黄玉东简介：黄玉东在哈尔滨工业大学工作30多年，两次获得国家技术发明奖二等奖。研究重点是聚合物反应工程和界面化学工程的关键技术和工程研究。