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)進行材料開發(fā)時，可以反饋更多精準的數(shù)據(jù)給到數(shù)據(jù)庫。松下預(yù)計通過這樣的AI開發(fā)材料手法，“材料情報”的競爭力將會得到很大的提升。(松下創(chuàng)新推進部門技術(shù)創(chuàng)新本部先鋒研發(fā)中心的先進分析系統(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行觀察，但是EELS的應(yīng)用其實是非常困難的。“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，就需要長時間照射高強度電子束。

使用AI快速成像

松下通過將EELS和AI機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，實現(xiàn)可在短時間內(nèi)拍攝。目前松下沒有明確公布其實現(xiàn)方法的細節(jié)，但可以了解到的是這種手法通過機器學(xué)習(xí)，在幾十秒的短時間內(nèi)獲得需要幾十分鐘的長時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創(chuàng)性算法，從短時間內(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分鐘時間發(fā)表了部分方法。宣布會后，主要通過應(yīng)用AI，進一步縮短了成像時間。預(yù)計未來將進一步加速成像。

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，在特定的課題上進行確認。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，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)。