深入揭示其失落效机制，对付开拓下一代高性能锂离子电池正极材料至关主要。
然而，迄今为止，干系领域对这类材料的有害相变和力学失落效机制及其对电池性能的影响，仍缺少原子尺度的深入认识。
中国科学院金属研究所王春阳研究员（2019-2023 年期间在美国加州大学和布鲁克海文国家实验室开展博后研究）致力于办理这一环球电池领域的重大寻衅。
他与互助者通过领悟深度学习与原子分辨率扫描透射电镜成像，开拓出超分辨透射电镜成像技能，并利用该技能深入揭示了锂离子电池层状氧化物正极材料中的繁芜相界面构造、相变失落效机制和力学失落稳机制。
因在人工智能透射电镜技能的开拓与运用，以及层状氧化物失落效机制研究和新材料开拓方面的主要贡献，他成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
揭示锂电层状氧化物正极的失落效机制，用于辅导下一代电池正极材料研发
锂离子电池是当下电动汽车中最常用的能源存储办理方案之一。而层状氧化物正极材料在锂离子电池中扮演着关键角色。
目前，这类材料在电池充放电循环过程中面临着巨大寻衅，即层状氧化物会不可避免地发生一系列繁芜相变退化和与应力失落效问题。
特殊是对付现有的高镍层状氧化物正极而言，电动汽车的初始续航里程越高，其性能衰减速率反而越快。
也便是说，锂电层状氧化物正极的能量密度与循环稳定性存在颠倒关系，二者“鱼与熊掌不可兼得”。
“如何才能让电动汽车既拥有高的初始续航里程，又能在电池充放电上千次后依然保持 80% 乃至更高的容量，是当下电池领域科学家最想办理的问题之一。要占领这一寻衅，我们第一步须要做的是弄清楚现有的材料是如何失落效，或者说如何坏掉的。”他表示。
针对此，他和互助者基于超分辨透射电镜成像技能，在纳米-原子尺度对层状氧化物的相变退化和力学失落效机制进行了系统深入研究。
他们在原子尺度揭示了层状氧化物中脱锂-晶格失落稳导致的 O3→O1 相变，创造在嵌锂过程中 O3→O1 相变并非完备可逆，且相界面失落配位错的天生为岩盐相和裂纹的萌生供应了优先形核位点[1,2]。
进一步地，他们将研究拓展到商用氧化物正极材料上，不雅观察到晶格剪切失落稳诱发的 O1 相变，并成功解析出 O1-O3 两相界面的繁芜原子构型[3]。
“该成果是首次在原子尺度揭示了层状氧化物中的脱锂-晶格剪切天生的相界面构造。”他说。
环绕 O1 相变，他们还结合原位电镜和电子层析三维重构技能，创造了 O1 相→岩盐相的新相变机制，并率先解析了层状氧化物中裂纹的三维组态及其与相变的内在关联[4]。
其余，他们还创造了层状氧化物中的应力勾引相变机制，颠覆了多尺度开裂是层状氧化物力学失落稳的唯一模式的传统认知，从而在层状氧化物的力学形变与相变之间建立起一座桥梁[5]。
该系列研究全面揭示了层状氧化物中的 O3→O1 相变机理、界面构造及其对材料的构造性能退化的影响，为下一代正极材料的优化设计供应了主要的理论支撑。
例如，基于上述根本研究方面的打破，王春阳与互助者分别设计出比商用锂电正极 NMC-811 性能更精良的多组元掺杂的零应变无钴高镍层状氧化物正极材料[6]，以及比商用 NMC-532 性能更精良的中低镍含量的无钴层状氧化物[7]。
“NMC-811 是目前电动汽车动力电池中被广泛利用的主流商用正极材料。我们开拓出的新型高镍正极材料的初始容量与 NMC-811 相称，但在循环 1000 圈后，它的容量保持率仍能达到 85% 以上，远高于后者。也便是说我们成功冲破了现有高镍正极材料的容量与循环稳定性的颠倒关系。”他表示。
得益于对层状氧化物失落效机制的新认识，新型层状氧化物正极材料的研发周期被大大缩短。
“我们的研究证明了 O1 相并非像传统研究以是为的那样无足轻重，我们创造 O1 相既能加剧构造退化，又能加剧力学失落稳，因此它是一个不折不扣的有害相。有了这一新认识，我们现在只须要把正极材料放到电池中跑上一两圈，从天生的 O1 相的多少就可以大致推断出这个材料的稳定性，从而大大缩短了材料性能的评估周期。”他表示。
他连续说道：“更为主要的是，考虑到 O1 相变的实质是晶格剪切，我们就从层状氧化物的特点出发，‘因时制宜’地设计出了一种能抑制晶格剪切、降落材料应变的材料改性策略—多组元掺杂技能。这一技能使得我们能在不丢失初始容量的条件下，显著提升高镍层状氧化物正极的循环寿命。”
前辈电子显微学表征技能在办理能源领域核心科学问题、开拓新材料过程中扮演着重要角色。
他之以是能取得上述一系列成果，得益于他的电子显微学专长，尤其是对付超分辨透射电镜成像技能的开拓和运用。
“该技能是人工智能与前辈透射电镜表征技能的交叉领悟，为层状氧化物正极材料的根本研究打开了一扇新的大门。”他说。
层状氧化物的分外之处在于，当锂离子一旦被从晶格中拔出来，材料就会发生非均匀体积变革和局部相变，而随之产生的晶格畸变会导致采集到的原子分辨率图像变得模糊不清、无法解读，这给电子显微学家“看清”并揭示材料的构造带来了致命寻衅。
为此，王春阳与互助者充分发挥卷积神经网络在图像分割方面的上风，将其与原子分辨率透射电镜成像技能结合，开拓出了人工智能赞助的超分辨成像技能，实现了层状氧化物正极材料的晶体构造与毛病的高精度成像与剖析。
“目前这一技能的表现非常出色，乃至已经超出了我们最初的预想。下一步，我们希望利用人工智能技能实现材料构造的原子尺度智能化剖析，这是我们未来努力的方向之一。”他说。
除此之外他与互助者也在全固态锂电正极材料的原子尺度失落效机制方面取得了主要进展。
他们创造表面“晶格碎化”和剪切相变共同导致了层状氧化物的构造性能退化[8]，这一机制与传统液态电池中有着显著差别，有望为全固态电池的正极-电解质界面优化设计供应理论辅导。
选择一个好的科学问题，远比盲目追求设备的“高大上”更加主要
2010 年，他从湖北省仙桃中学考入中国矿业大学材料科学与工程专业。
2014 年，被保送到中国科学院金属研究所攻读博士学位（导师：杜奎研究员）。在此期间，他紧张从事金属材料的原位定量电子显微学研究和透射电镜三维成像技能的开拓与运用。
2019 年得到博士学位往后，他进入加州大学尔湾分校和布鲁克海文国家实验室开展博后研究（互助导师：忻获麟教授）。这一阶段，他紧张从事前辈透射电镜技能的发展、运用以及锂离子电池材料的失落效机理与构效关系研究。
谈及在科研过程中碰着的最大寻衅，他表示，并非来自于技能层面，而是如何找到好的科学问题。
就拿他所在的电池材料领域来说，层状氧化物正极材料的研究已经超过四十年。领域内一个较为普遍的意见是，层状氧化物正极的相变理论和失落效机制的框架已经“大厦落成”。
“可能由于我在进入这个领域时恰好是一张白纸，以是不会被很多条条框框束缚。哪怕是一个在很多科学家眼中非常屈曲的问题，我也常常会产生强烈的求知欲。”王春阳说。
“我最有造诣感的时候常常是在大半夜做透射电镜实验的时候，在万籁俱寂中脑细胞和视觉细胞高频互动，有那么一刻我以为自己捉住了这个天下的真理，并感到无比快乐。”他连续说。
强烈的求知欲，加上敏锐的直觉和批驳性思维，这可能是他能在层状氧化物中创造一系列失落效新机制的核心驱动力。
当然，他的打破与所接管的科研演习也密不可分。
他在金属所攻读博士期间研究的是金属材料，这为他对材料构造与毛病的深入理解和知识体系的建立打下了踏实根本。这一交叉背景和非对称上风，也是他在电池材料领域取得创新打破的主要推动力。
一个有趣的征象是，作为一个有着“十年工龄”的电子显微学科研事情者，王春阳在材料研究领域的打破在很大程度上依赖于“超级放大镜”—透射电子显微镜。只管如此，他却多次强调科学研究不能“唯设备论”。
他认为，终极决定要研究什么科学问题、如何设计实验、剖析数据、撰写论文的都是“人”，而不是设备。设备或者实验技能是“猫”，而科学问题是“老鼠”。黑猫白猫，捉住老鼠的便是好猫。
“我博后期间四分之三的研究事情都是在非球差校正电镜上完成的，一半以上的事情都是离位研究，这些设备或技能在很多人看来并没有什么上风，但是并没有妨碍我们去办理领域内大家都关注的主要科学问题。”他说。
从这个角度来看，选择一个好的科学问题，远比无止境地追求设备的“高大上”更加主要。
据理解，2024 年 1 月，他已回到中国科学院金属研究所，担当沈阳材料科学国家研究中央研究员、博士生导师。
过去半年，他已组建起一个均匀年事只有 30 岁的年轻科研团队，并开始了新的科研征程。
未来，他的主攻方向是透射电子显微学和材料构效关系研究，将致力于以根本研究打破为引领，开拓下一代高性能锂离子电池正极材料。
“十年前，从迈入金属所大门的那一刻起，透射电子显微镜为我打开了认识材料的大门，而我也像我的前辈们一样，逐渐学会了利用电子显微学去认识材料的微不雅观构造，探索材料的构造与性能之间的内在联系。认识物质天下、开展材料科学研究，这既是我现在的奇迹，也是我未来一辈子要做的奇迹。”王春阳如是说。
参考资料：
1. C.Y. Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, H.L. Xin. Atomic-Scale Observation of O1 Faulted Phase-Induced Deactivation of LiNiO2 at High Voltage. Nano Letters, 21(8), 3657-3663 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00862
2. C.Y. Wang, R. Zhang, C. Siu, M.Y. Ge, K. Kisslinger, Y. Shin, H.L. Xin. Chemomechanically Stable Ultrahigh-Ni Single-Crystalline Cathodes with Improved Oxygen Retention and Delayed Phase Degradations. Nano Letters, 21(22), 9797-9804 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03852
3. C.Y. Wang, X.L. Wang, R. Zhang, T. Lei, K. Kisslinger, H.L. Xin. Resolving Complex Intralayer Transition Motifs in High-Ni-Content Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. Nature Materials, 22, 235-241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5
4. C.Y. Wang, L.L. Han, R. Zhang, et al. Resolving Atomic-Scale Phase Transformation and Oxygen Loss Mechanism in Ultrahigh-Nickel Layered
Cathodes for Cobalt-Free Lithium-Ion Batteries. Matter, 4(6), 2013-2026 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.012
5. C.Y. Wang, X.L. Wang, P.C. Zou, R. Zhang, S.F. Wang, B.H. Song, K.B. Low, H.L. Xin. Direct Observation of Chemomechanical Stress-Induced Phase Transformation in High-Ni Layered Cathodes for Lithium-Ion Batteries. Matter, 6(4), 1265-1277 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001
6. R. Zhang#, C.Y. Wang#, et al. Compositionally complex doping for zero-strain zero-cobalt layered cathodes. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z
7. R. Zhang#, C.Y. Wang#, et al. Long-life lithium-ion batteries realized by low-Ni, Co-free cathode chemistry. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y
8. C.Y. Wang, Y.Q. Jing, D. Zhu, H.L. Xin. Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries. Journal of the American Chemical Society, 146 (26), 17712–17718 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198
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