由高能物理所多學(xué)科中心X射線成像實(shí)驗(yàn)站張凱副研究員和國(guó)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(shù)針對(duì)鋰電池材料的研究取得了重要的進(jìn)展，研究成果近期發(fā)表在Nano Letters上。
能源的生產(chǎn)和消費(fèi)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起著舉足輕重的作用。各國(guó)政府都加大了對(duì)于新能源技術(shù)的投入，期待開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源。其中，以鋰電池為代表的高效儲(chǔ)能器件已成為新能源研究的重要方向之一。在該研究領(lǐng)域，電池是典型的復(fù)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(biāo)，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(gè)不同尺度的聯(lián)合效應(yīng)。因此，在微觀、介觀到宏觀尺度范圍內(nèi)研究復(fù)合電極的三維結(jié)構(gòu)、元素分布和價(jià)態(tài)信息以及晶相等信息，對(duì)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(guān)重要。
近年來(lái)，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(jí)空間分辨能力的X射線成像技術(shù)得到了快速發(fā)展。結(jié)合近邊吸收譜技術(shù)，納米分辨譜學(xué)成像技術(shù)可以在原位環(huán)境下無(wú)損重構(gòu)鋰電池中電極材料的三維結(jié)構(gòu)信息、元素分布和價(jià)態(tài)信息，進(jìn)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(gòu)之間的相互聯(lián)系。這些信息不僅從應(yīng)用角度有助于材料科學(xué)家進(jìn)一步改進(jìn)電池材料的性質(zhì)，而且對(duì)電池材料失效機(jī)制的基礎(chǔ)科學(xué)研究也有著重要的價(jià)值。
另一方面，與高亮度的同步輻射光源等大科學(xué)裝置上的其它實(shí)驗(yàn)技術(shù)類似，同步輻射納米分辨譜學(xué)成像技術(shù)將產(chǎn)生海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些科學(xué)大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在傳統(tǒng)的研究方式中，人們對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)知多專注于數(shù)據(jù)之間簡(jiǎn)單的因果關(guān)系。而科研大數(shù)據(jù)則要求尋找數(shù)據(jù)之間的弱關(guān)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(dòng)化性、可視性的結(jié)論。隨著科研大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，如何做好對(duì)大數(shù)據(jù)的處理、整合和發(fā)掘從而得出更有價(jià)值的信息，是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
針對(duì)納米成像方法學(xué)和應(yīng)用研究，我所多學(xué)科中心X射線成像實(shí)驗(yàn)站近年來(lái)開(kāi)展了大量的工作。其中，張凱副研究員和國(guó)內(nèi)外課題組合作，利用同步輻射納米分辨譜學(xué)成像和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在針對(duì)能源材料的研究中近期獲得了較好的研究成果。研究團(tuán)隊(duì)利用同步輻射納米譜學(xué)成像技術(shù)，深入研究了鋰離子電池重要正極材料鈷酸鋰（LiCoO2）。在原位實(shí)驗(yàn)條件下，他們實(shí)時(shí)觀察單個(gè)電極顆粒隨著充放電速率的變化而發(fā)生的化學(xué)價(jià)態(tài)重新分布(圖1，ACS Energy Lett. 2, 1240-1245 (2017))。這個(gè)工作表明正極材料鈷酸鋰（LiCoO2）電極顆粒能夠根據(jù)化學(xué)環(huán)境的變化而進(jìn)行自身的調(diào)整。為了使研究結(jié)果更具有統(tǒng)計(jì)性，該研究團(tuán)隊(duì)又對(duì)軟包電池中上百個(gè)LiCoO2顆粒進(jìn)行納米尺度譜學(xué)成像。在短時(shí)間里他們采集了上千萬(wàn)條X射線近邊吸收譜，并進(jìn)行了深入的大數(shù)據(jù)挖掘。他們首先對(duì)X射線近邊吸收譜進(jìn)行特征值提取，再利用多種數(shù)據(jù)聚類算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量X射線近邊吸收譜的快速分析和識(shí)別，進(jìn)而獲得了電池顆粒的結(jié)構(gòu)、形貌、價(jià)態(tài)分布之間的關(guān)聯(lián)，首次直接在鈷酸鋰電池中觀測(cè)到了Co離子溶解和金屬Co重新沉積以及局部過(guò)渡嵌鋰導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象（圖2，Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03985 (2017)]）。這項(xiàng)工作為研究人員了解鈷酸鋰電池的性能衰減機(jī)制提供了有效的幫助，并對(duì)該材料的性能改善起到了重要指導(dǎo)作用。更重要的是，研究中所采用的大數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)利用大科學(xué)裝置開(kāi)展的前沿研究的眾多學(xué)科領(lǐng)域都具有重要的借鑒意義。
圖1. 原位觀測(cè)單顆粒鈷酸鋰（LiCoO2）電池材料在23次充放電過(guò)程中隨著充放電速率的不同而產(chǎn)生的化學(xué)價(jià)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(xué)價(jià)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(xué)價(jià)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(xué)成像技術(shù)可以原位、快速的獲得海量的樣品的結(jié)構(gòu)信息和譜學(xué)信息。大數(shù)據(jù)分析：通過(guò)對(duì)X射線近邊吸收譜進(jìn)行特征提取，再利用多種數(shù)據(jù)聚類算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量X射線近邊吸收譜的快速分析和識(shí)別。研究結(jié)果：觀測(cè)到了Co離子溶解和金屬Co重新沉積以及局部過(guò)渡嵌鋰導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象
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