深入了解其失效机理对于开发下一代高性能锂离子电池正极材料至关重要。
但迄今为止，相关领域仍然缺乏在原子尺度上对该类材料的有害相变和机械失效机制及其对电池性能的影响的深入了解。
中国科学院金属研究所王春阳研究员（2019年至2023年在美国加州大学和布鲁克海文国家实验室从事博士后研究）致力于解决这一全球电池领域的重大挑战。
他与合作者将深度学习与原子分辨率扫描透射电子显微镜成像相结合，开发了超分辨率透射电子显微镜成像技术，利用该技术深入揭示了锂离子电池层状氧化物正极材料中复杂的相界面结构、相变失效机理和力学不稳定机理。
由于其在人工智能透射电子显微镜技术研发与应用，以及层状氧化物失效机理研究和新材料开发等方面做出的重要贡献，他成为2023年《麻省理工科技评论》“35位35岁以下创新者”华人候选人之一。
揭示锂离子层状氧化物正极的失效机理，指导下一代电池正极材料的开发
锂离子电池是当今电动汽车最常用的储能解决方案之一，层状氧化物正极材料在锂离子电池中起着关键的作用。
目前该类材料在电池充放电循环过程中面临巨大的挑战，即层状氧化物不可避免地会发生一系列复杂的相变降解和应力失效问题。
特别是现有的高镍层状氧化物正极，电动汽车初始续航里程越高，其性能衰减越快。
也就是说，锂电池层状氧化物正极的能量密度和循环稳定性之间存在着倒置的关系，无法鱼与熊掌兼得。
“如何让电动汽车拥有较长的初始续航里程，同时在电池充放电数千次之后仍能保持80%甚至更高的容量，是电池领域科学家最想解决的问题之一。要克服这一挑战，我们要做的第一件事就是弄清楚现有材料是如何失效的，或者说是如何分解的。”他说。
为此，他与合作者基于超分辨透射电子显微镜成像技术对纳米原子尺度上层状氧化物的相变退化与力学失效机理进行了系统深入的研究。
他们从原子尺度上揭示了层状氧化物中脱锂和晶格不稳定性引起的O3→O1相变，并发现锂嵌入过程中O3→O1相变并不完全可逆，相界面处失配位错的形成为岩盐相和裂纹的萌生提供了优先成核位置[1,2]。
此外，他们将研究扩展到商业化氧化物正极材料，观察到了晶格剪切不稳定性引起的O1相变，并成功分析了O1-O3两相界面的复杂原子结构[3]。
他说：“这一结果首次在原子尺度上揭示了层状氧化物中锂脱附和晶格剪切产生的相界面结构。”
他们还针对O1相变过程，结合原位电子显微镜和电子断层扫描三维重构技术，发现了由O1相到岩盐相的全新相变机制，并首次分析了层状氧化物中裂纹的三维构型及其与相变的内在联系[4]。
此外，他们还发现了层状氧化物中应力诱导的相变机制，颠覆了多尺度开裂是层状氧化物力学不稳定性唯一模式的传统认识，建立了层状氧化物力学变形与相变之间的桥梁[5]。
该系列研究全面揭示了层状氧化物中O3→O1相变机制、界面结构及其对材料结构性能衰减的影响，为下一代正极材料的优化设计提供了重要的理论支撑。
例如，基于上述基础研究的突破，王春阳与合作者设计出性能优于商业化锂电池正极NMC-811[6]的多组分掺杂零应变无钴高镍层状氧化物正极材料，以及性能优于商业化NMC-532[7]的中低镍含量无钴层状氧化物。
“NMC-811是目前广泛应用于电动汽车动力电池的主流商业化正极材料。我们研发的新型高镍正极材料，其初始容量与NMC-811相当，但经过1000次循环后，其容量保持率仍能达到85%以上，远高于后者。也就是说，我们成功打破了现有高镍正极材料容量与循环稳定性的倒置关系。”他说。
得益于对层状氧化物失效机理的全新认识，新型层状氧化物正极材料的研发周期大大缩短。
“我们的研究证实了O1相并不像传统研究认为的那样微不足道。我们发现O1相既能加剧结构退化，又能加剧机械不稳定，因此是绝对有害的相。有了这个新认识，我们现在只需要把正极材料放进电池，运行一到两个周期，根据O1相的生成量就能大致推断出材料的稳定性，从而大大缩短材料性能的评估周期。”他说。
他继续说道：“更重要的是，考虑到O1相变的本质是晶格剪切，我们从层状氧化物的特点出发，设计了一种可以抑制晶格剪切、降低材料应变的材料改性策略——多元掺杂技术。这项技术使得我们在不损失初始容量的情况下，显著提高高镍层状氧化物正极的循环寿命。”
先进的电子显微镜表征技术对于解决能源领域核心科学问题、开发新材料具有重要作用。
上述一系列成果的取得得益于他在电子显微镜领域的专业积累，特别是超分辨透射电子显微镜成像技术的开发与应用。
他说：“这项技术是人工智能与先进的透射电子显微镜表征技术的交叉融合，为层状氧化物正极材料的基础研究打开了一扇新的大门。”
层状氧化物的特殊性在于，一旦锂离子被拉出晶格，材料将发生不均匀的体积变化和局部相变，由此产生的晶格畸变导致收集到的原子分辨率图像变得模糊不清，难以解读，这对电子显微镜学家“看清”并揭示材料结构提出了致命的挑战。
为此，王春阳与合作者充分利用卷积神经网络在图像分割方面的优势，将其与原子分辨率透射电子显微镜成像技术相结合，开发了人工智能辅助超分辨率成像技术，实现了对层状氧化物正极材料晶体结构及缺陷的高精度成像与分析。
“目前这项技术的表现非常出色，甚至超出了我们最初的预期。下一步，我们希望利用人工智能技术，实现材料结构的智能原子级分析，这是我们未来的努力方向之一。”他说。
此外，他与合作者还在全固态锂电池正极材料原子级失效机理研究方面取得重要进展。
研究发现表面“晶格碎裂”与剪切相变共同导致层状氧化物结构性能的下降[8]，该机制与传统液态电池有明显区别，有望为全固态电池正极-电解质界面的优化设计提供理论指导。
选择好的科学问题远比盲目追求“高端”设备更重要
2010年，他从湖北仙桃中学考入中国矿业大学材料科学与工程专业。
2014年保送至中国科学院金属研究所攻读博士学位（导师：杜奎研究员），期间主要从事金属材料原位定量电子显微镜研究及透射电子显微镜三维成像技术的开发与应用。
2019年获得博士学位后进入美国加州大学欧文分校及布鲁克海文国家实验室从事博士后研究（合作导师：辛霍林教授），期间主要从事先进透射电子显微镜技术的开发与应用以及锂离子电池材料失效机理及构效关系研究。
在谈到科研过程中遇到的最大挑战时，他表示并非来自于技术层面，而是如何找到好的科学问题。
以他所从事的电池材料领域为例，层状氧化物正极材料的研究已经进行了40多年，业界普遍认为，层状氧化物正极的相变理论和失效机理框架已经“完成”。
“可能是因为我刚进入这个领域时是一张白纸，所以没有受到很多条条框框的束缚。即使在很多科学家眼里很愚蠢的问题，我也常常有强烈的求知欲望。”王春阳说。
“我最有成就感的时候，往往是在深夜做透射电镜实验的时候，在寂静中，脑细胞和视觉细胞高频互动，有那么一瞬间，我感觉自己掌握了这个世界的真相，幸福无比。”他继续说道。
强烈的求知欲望，加上敏锐的直觉和批判性思维，可能是他发现层状氧化物中一系列新的失效机制的核心驱动力。
当然，他的突破也和他所接受的科研训练息息相关。
在金属研究所攻读博士期间，他研究的是金属材料，为他对材料结构和缺陷的深入理解和知识体系的建立打下了坚实的基础。这种跨学科的背景和非对称优势也是他在电池材料领域取得创新突破的重要驱动力。
一个有趣的现象是，作为一名有着“十年从业经验”的电子显微镜研究人员，王春阳在材料研究领域的突破很大程度上依赖于“超级放大镜”——透射电子显微镜。尽管如此，他还是多次强调，科研不能“唯设备论”。
他认为，最终决定研究什么科学问题、如何设计实验、分析数据、写论文的是“人”，而不是设备。设备或实验技术是“猫”，科学问题则是“老鼠”。不管黑猫白猫，只要能抓到老鼠就是好猫。
“我博士后期间四分之三的研究工作是在非球面像差校正电子显微镜上进行的，超过一半的工作是场外研究。这些设备或技术在很多人眼里并没有什么优势，但这并没有妨碍我们解决业内人人都关心的重要科学问题。”他说。
从这个角度来说，选择一个好的科学问题远比无休止地追求“高端”设备重要得多。
据了解，2024年1月，他回到中国科学院金属研究所，担任沈阳材料科学国家研究中心研究员、博士生导师。
半年来，他组建了一支平均年龄仅30岁的年轻科研团队，开启了新的科研征程。
未来其主要研究方向为透射电子显微镜和材料构效关系研究，致力于在基础研究突破的基础上开发下一代高性能锂离子电池正极材料。
“十年前，从我踏入金属所的那一刻起，透射电子显微镜就为我打开了认识材料的大门。我和前辈们一样，逐渐学会了用电子显微镜认识材料的微观结构，探索材料结构与性能的内在联系。认识物质世界、开展材料科学研究，不仅是我现在的职业，也是我一生的事业。”王春阳说。
参考：
1. CY Wang, R. Zhang, K., HL Xin. -Scale of O1 Phase- of High. Nano, 21(8), 3657-3663 (2021).
2. CY Wang, R. Zhang, C. Siu, MY Ge, K., Y. Shin, HL Xin. -Ni - 和相。纳米，21(22), 9797-9804 (2021)。
3. CY Wang, XL Wang, R. Zhang, T. Lei, K., HL Xin. 在 High-Ni-for-Ion. 中，22, 235-241 (2023)。
4. CY Wang, LL Han, R. Zhang 等 -尺度相位和损失 -
-Free -Ion.，4(6)，2013-2026 (2021)。
5. 王宗仁
6. R. Zhang#、CY Wang# 等，针对零-零-。，610，67–73 (2022)。
7. R. Zhang#, CY Wang#, 等. 低镍、无钴长寿命离子电池. , 8, 695–702 (2023).
8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. Non-Solid-State D, 146 (26), 17712–17718 (2024).
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