松下公司通過大力投入車載電池事業(yè)等，確定了其領(lǐng)先行業(yè)的競爭力。它最新開發(fā)出一種AI高科技材料分析手法，不僅僅適用于電池，而且預(yù)計(jì)可以利用于太陽能電池等的材料開發(fā)。

本次所開發(fā)的方法是一種可以高速且高分辨率條件下，可視化鋰離子電池內(nèi)部材料在電池工作過程中的行動狀態(tài)，這一狀態(tài)的可視化，將會極大地影響Li離子電池的容量密度，充放電速度以及壽命等多種性能的改善(圖1)。例如，可以通過空間、時(shí)間維度在高度分解狀態(tài)下顯示電極中參與充放電的部分與不相關(guān)的部分。研究人員使用這種方法，可以立即識別應(yīng)用新材料后的效果，由AI(人工智能)進(jìn)行材料開發(fā)時(shí)，可以反饋更多精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)給到數(shù)據(jù)庫。松下預(yù)計(jì)通過這樣的AI開發(fā)材料手法，“材料情報(bào)”的競爭力將會得到很大的提升。(松下創(chuàng)新推進(jìn)部門技術(shù)創(chuàng)新本部先鋒研發(fā)中心的先進(jìn)分析系統(tǒng)課，課長井垣恵美子女士表示)

通過可視化地研究影響充放電性能以及容量密度的電極材料(活性材料的LiCoO2，以及石墨等)的做功狀態(tài)，可以改善電池性能。(圖/照片由松下提供)

通過電子顯微鏡進(jìn)行解析

所開發(fā)的方法使用了電子顯微鏡。通過釋放電子，掃描并照射到被檢測的對象物質(zhì)上，通過EELS(電子能量損耗能譜法)定量分析，將與原子產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致減少的電子能量分布進(jìn)行2維成像(圖2)。傳統(tǒng)做法中，為了獲得Li離子分布圖像，一般需要使用大型的輻射裝置(例如“SPring-8”)照射X射線。而且，通過X射線成像將分辨率提高到原子水平是非常困難的。因此，為了確認(rèn)新材料在鋰離子電池開發(fā)中的影響，通常依靠制作樣品并測量電池容量和厚度變化等的間接觀察手法進(jìn)行。

雖然說用電子顯微鏡可以將分辨率提高到納米級，并且可以在原子級水平下進(jìn)行觀察，但是EELS的應(yīng)用其實(shí)是非常困難的。“由于Li原子(電子數(shù)量為3)可以與電子顯微鏡所發(fā)出電子進(jìn)行碰撞的電子數(shù)量很少，碰撞概率會變低“(開發(fā)了上述手法的松下前述部門首席研究員野村優(yōu)貴先生表示)。測量系統(tǒng)的噪聲水平使得無法獲取足夠的信號。如果在沒有進(jìn)行其他特殊處理的情況下希望獲得清晰的Li離子分布圖像，就需要長時(shí)間照射高強(qiáng)度電子束。

使用AI快速成像

松下通過將EELS和AI機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可在短時(shí)間內(nèi)拍攝。目前松下沒有明確公布其實(shí)現(xiàn)方法的細(xì)節(jié)，但可以了解到的是這種手法通過機(jī)器學(xué)習(xí)，在幾十秒的短時(shí)間內(nèi)獲得需要幾十分鐘的長時(shí)間觀察才能得到的觀察數(shù)據(jù)。而且其他測量條件也可以被包含在學(xué)習(xí)對象中。似乎是通過一系列獨(dú)創(chuàng)性算法，從短時(shí)間內(nèi)的不完全數(shù)據(jù)中，排除噪聲并提取了有用信號。

電極和電解質(zhì)中Li離子濃度的空間分辨率為nm級，與使用X射線的常規(guī)方法(圖3)相比，新手法的水平提高了約100倍(圖3)。成像時(shí)間為每張20秒。在2017年11月舉行的“第58屆電池討論會”(講座編號“1C26”)上，松下大概用15分鐘時(shí)間發(fā)表了部分方法。宣布會后，主要通過應(yīng)用AI，進(jìn)一步縮短了成像時(shí)間。預(yù)計(jì)未來將進(jìn)一步加速成像。

預(yù)先應(yīng)用于固態(tài)電池研發(fā)中

目前，松下已經(jīng)將這種方法預(yù)先應(yīng)用于全固態(tài)電池的研發(fā)中，在特定的課題上進(jìn)行確認(rèn)。全固態(tài)電池是松下與豐田汽車合作研究開發(fā)中最重要的下一代技術(shù)。與電解質(zhì)接觸的電極表面附近的變化是量產(chǎn)應(yīng)用中的主要課題。松下通過鋰離子濃度分布分析正極的變化(圖4)。

此時(shí)，松下這次還利用另一種分析方法，關(guān)注正極和電解質(zhì)界面附近的物質(zhì)形成過程以及離子導(dǎo)電性，確認(rèn)將推動上述課題的解決。而且有可能將闡明與使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池不同的固態(tài)鋰離子電池的Li離子傳導(dǎo)特性。目前鋰離子電池常見的正極材料使用LiCo2O3，電解質(zhì)采用常用于小容量電池的氧化物陶瓷材料LASGTP。由于副反應(yīng)在界面處形成Co3O4物質(zhì)。