5月23日，CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。北京大学深圳研究生院千人计划教授潘锋博士在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文：

我们用新的角度研究锂离子，叫材料的基因、科学和工程，有两大部分内容。

第一，通过材料大数据和结构基元来探索现在正在做的像磷酸铁锂层状材料。第二，像刚才杨教授也讲到的，界面和晶体的对称性迫切需要重构，这些角度来理解锂离子电池。

第一，材料基因组，美国是世界最领先的国家，这样的国家都有居安思危，奥巴马的时候提出美国要领先世界，要在材料领域里面要作为国家战略，所以2011年提出材料基因组的计划。我们国家2016年的时候，相当于“十三五”期间第一次设立国家重大专项，我们有幸承担了基于材料基因组工程来研究下一代的全固态电池。基于这些项目的原因，从材料基因的角度来探索锂离子电池新能源材料。材料基因组是研发体系不是从单一的电化学，而是从材料的结构计算和检测实验，包括一些大科学装置，刚才杨教授提到，包括同步辐射，我们现在正在建立的中质在做。我们知道生命有基因，材料有没有基因？美国提出来的材料基因工程实际上是叫高通量的制备、高通量的检测、高通量的数据库，形成闭环，主要是工程。既然是工程，它背后有没有它的科学依据？如果我们来看生命科学材料基因，最基本的结构基元，核糖核酸，然后有一个结构排序，构成蛋白质的功能。看物质世界，最早的材料基因的表应该就是元素周期表。怎么探索材料基因？我们接下来会结合锂离子电池从三个角度看，结构基元、排序和对称性、相互作用。相互作用，我们知道有离子键、配位键，今天会讲到超交换作用、磁耦合相互作用等等。

材料材料基因工程现在有一本书“第三范式”，库在科学的每次进步是一个范式替代另外一个范式，最早的是伽利略观察很少的实验数据。牛顿和爱因斯坦产生一些公式，我们有些复杂体系采用机器来仿真，第四代范式有大量数据，现在又有AlphaGo这种人工智能，如何把技术结合到材料里面。大家可以访问北大新材料的网站，用人工智能，如果你研究过程的Li-Co-O材料，打进去这个材料，可以从最新1秒的文章追溯到20年前，只要有锂电池的关键词就可以搜索，我们要提供这个服务。

更重要的是，把全世界已有的晶体结构收集起来，来自不同的数据库，你打进去有这个数据，可以在这些源里面找到这些数据。比如Li-Co-O，含有Li-Co-O的晶体结构很多，有了晶体结构，下一步就希望知道它下面的电子结构，所以我们开发了一种快速精确计算电子结构的方法，普通需要计算十几个小时，我们几小时、几分钟算完。我们大概用3个月时间算了1.5万个电子结构，通过电子结构，1.5万个晶体结构和电子结构进行关联，它的分布是这样（PPT）。进行AlphaGo的下一步机器学习。我们如果有一个晶体结构，可以用第一性原理计算晶体的电子结构，如果我知道晶体结构，有机器学习，可以不计算第一性原理计算，直接判断出来结果。像我们认识一张脸，认识以后知道信息，一看到以后就知道是它，这是我们第一篇在审的文章。我们对比全世界的数据库，目前我们和实验值最接近，这个机器学习。

下面结合锂离子电池来谈一谈。

北大新材料学院成立以后，又在深圳，我们聚焦实际的锂离子电池，磷酸铁锂和三元层状材料。如果我们找到锂离子电池的结构基元，磷酸铁锂可以把它分成磷酸根的共价键，硅酸铁锂就是硅氧的共价键，锂氧可以认为主要是离子键，过渡金属和氧之间是配位键。如果中间有一个过渡金属氧和锂之间既有离子和配位键的互相结合，这就是结构基元。机构基元决定了材料的稳定性、容量、导电性和电压。下面我结合结构基元分两方面讲：一是界面的结构基元，然后是界面重构。二是体相的结构基元，和杨老师讲的反位的情况。

我们第一次做了一件事，发现磷酸铁锂的颗粒里面，如果放在水上的电解质，极片都是一样的，比有机里面快十几倍，甚至用纳米颗粒，能量3秒钟就是600C，6秒钟就充放电完成，它背后到底是什么机理？颗粒是同样的颗粒、极片也是同样的，就换电解质，从结构的基元看，比如说这是锂氧八面体、铁氧八面体，沿着这个结构，到了这个界面实际上是对称性破缺的。任何铁，从对称性，任何长周期的对称性到任何晶体的界面它的对称性必然破缺。如果放再一个电解液体系里面，大家想，什么环境重构什么样的界面，如果水的体系，水分子很小，重构跟体相一样的八面体结构，在溶剂化溶液里面也是非常相似，就因为这样，如果锂脱完以后，铁的对称性被水所覆盖。

在EC下面，它的分子非常大，所以一个锂离子的负电和里面碳氧的极性结合就是单点，因为它的界面容纳不了这么多重构的界面。如果锂离子脱完以后，EC从锂离子吸附到铁上，这样的结构，锂离子本来穿四件衣服，它脱了四件衣服要进入体相，在水里面只要脱两件，因为有界面的重构，所以脱融计划决定整个界面的动力学速度。第二个是开发一个方法，磷酸铁锂，像纳米颗粒，纳米巨大的界面会有些相互作用，这个相互作用不能表达出锂离子真实的电化学性能，我们开发了单纳米颗粒的电池行为，我们就把一颗一颗纳米分散到碳管里面，颗粒之间没有相互作用。我们得到什么样的结果？CV缺陷的半高宽比正常极片的半高宽小5倍，我们开发了一个界面动力学的方程，这样就可以通过一个方程，相当于现在体检一滴血体检一样，有一颗纳米颗粒，可以知道它的体相扩散动力学和界面反应的系数。这样可以对比，这是我们建立的方程，很好的方程。这样就可以知道界面反应和动力学。

EQCM，可以称原子重量方法。在某个电压下，测量界面质量的大小。最后我们发现水的体系里面，正好在这个电压下有一个特殊的重量，叫负质量。为什么产生这个呢？10年前，已经算过，磷酸铁锂的界面电压是0.9V，体相电压是3.4V，如果电压加到2.9V，界面水合的离子出去，这层没有出来，这是带了锂离子和吸附的水，就得到一个负质量，进一步证实刚才的界面模型。通过这个就可以得到第一次得到锂离子扩散界面动力学，也第一次理解了什么叫界面动力学的质前因子，实际上质前因子从电化学的教科书来说就是从外面到界面上锂离子的第一个有效距离，现在我们知道有效距离的真实含义是脱融计划的容量。我们最后知道锂离子的活化能和界面结构有一定的关系。更重要的是水和有机的体系里面，实际上就是因为脱融计划能和质前因子的差别导致整个锂离子的扩散动力学。把一个一个颗粒堆积在一起是极片，极片里面什么决定充放电的效率？我们用3D打印锂电池与普通充放电性能做了研究，用理论模拟，发现体相里面最后决定的倍率性能根本就不是颗粒的，实际上是浓差扩散决定倍率性能。

大家都说纳米颗粒没有任何产业化的价值，因为它的比表面积太大，这样表面的电压非常低。几年前，磷酸铁锂的理论容量是170，我们突然做到210，是实验做错了吗？我们最后发现没有做错，原因是什么？我们再回看这个界面，磷酸铁锂的对称性不可或缺，如果这个界面构成碳氧的界面，重构这个界面，相当于多给了两个电子，这样界面上就可以多存三个锂，原来通道上不能处理的地方可以处理，碳氧边上都可以处理，差不多和磷酸铁锂的电压差不多，3V。它的界面大小和容量的关系，对于磷酸锰铁锂都可以发现超容量，体相是锂的位置，界面上给配位电子，多储存一个锂，界面空间可以多储存一些锂，所以得到的是大于颗粒体相容量，叫超容量，我们已经有专利技术，希望把这个技术在产业过程中给大家提高容量。

刚才杨教授也提到，在层状材料，磷酸铁锂的界面重构。现在看一下层状材料，层状材料最重要的是高价位的像镍四价这些，我们用ALD保护一些，阻挡镍四价和电解质的直接接触，保证界面的稳定性。第二种途径是我们把磷酸铁锂到4.8V、4.7V，很稳定，把磷酸铁锂的纳米颗粒和层状的三元材料结合以后，在锂离子、在电压情况下，他们自组织产生锂的扩散通道，得到了一个新的磷酸铁锂包覆微米级的层状材料的结果。现在回到第一个问题，界面重构会对锂离子电池的扩散动力学、倍率性能、容量和稳定性起非常重要的作用。

第二，结构基元、排序、对称性和相互作用。层状材料最大的特点是过渡金属一层、锂离子一层。锂离子满了，它怎么扩散？我们对于所有的层状材料，锂离子满的时候是从八面体到八面体的传输，如果锂离子脱了25%，有些锂空位，它是八面体到四面体的传输，什么决定锂离子的体相扩散效应？我们得到一个扩散方程的东西，简单来说是层间距会取决一个东西，我们得到元素的变化和扩散系数的关系，最后发现622是扩散系数最大的。我们做了实验和结构测量，最后发现622的层间距最大，为什么层间距最大？现在还不知道。我们研究层间距最大，发现他们层里面和层间距的相互作用。二是热稳定性非常重要，锂离子脱出，有一个自由基的氧放出来，里面就会内燃，或者隐含的内燃，所以大家说针刺磷酸铁锂没有问题，针刺三元就有问题，它隐含一些不稳定的氧存在。

怎么找结构基元？以氧为结构中心，一个氧上面有三个过渡金属，下面三个锂，如果三个锂一个一个脱出去，脱到高容量，有些上面已经没有锂了，它的稳定性，我们发现一个规律。最后发现像442、333，M是比较稳定的，这是假设没有反位。如果有反位正好反过来，为什么反位改变它的热稳定性？这是我们下面要仔细探讨的，过渡金属有自选电池，比如说镍二价有两个自选，镍三价有一个自选，钴没有自选，锰四价有三个自选。

我们回到层状材料最基础的问题，它最基本的格子，实际上是三角金格，因为要排满整个面是一个三角格，有自选电子，自选电子向上或者向下，经过氧，叫反铁磁的配位。好像一个男一个女配对配好了，如果第三者带自选电子会干扰原来的配对，产生阻错，使体系能量增高。这是1950年贝儿实验室最高统计物理的文章。如果用阻错的概念来看层状，锂镍反位，锂跑到三角格的位置就没有阻错，这里是钴也没有错，如果是锰、镍就有阻错。要知道精确的锂位数量，最好的办法是中子衍射，我们在中国东莞产业园建立中子衍射，最大的好处是一个颗粒碰撞以后能测量它的磁性。深圳建立材料基因组平台，北大、南科大、清华，深圳市给我们6.6亿，北大要承担高精度的中子谱仪。这个过程中我们做了一些工作，我们用所有的三元材料，在美国的标准局，黄教授那边测了所有层状材料的精确反位数量，精确到千分之一的精度。我们同样又拿42的样品，在中国的散裂中子源得到误差是千分之一。

我们得到一张反位相图，有趣的是跟刚才阻错的Top形状一样，如果是消阻错，钴的反位数量333最小，最有趣的是上面的442，442上面变成42%和442，只增加2%的锰的含量，反位增加2%，用这样的方法就知道反位和阻错直接关联。镍跑到里层有什么好处？如果镍、锂原来是这样，反位下来以后，过渡金属上面的镍和反位到里层的镍会有反铁磁的相互作用，上面自旋，经过氧和自旋向上就可以配对。反位可以消除层内的阻错，增加层间的相互作用。高镍的情况下，它就自发发生这个反位上来的镍，高镍，镍主要是三价，反位下来，镍是二价，电和平衡，要让钴从三价到四价。这是计算出来的。用杨万里（音）的射线出来，真的是622和7115，第一次发现有钴四价。我们的计算、我们的能量和预测得到了一些证实。

这个工作杨勇老师的学生和大卫（音）一起，我们来预测原位的X-RD，镍的含量确定，7115、66%，相当于这两个边缘上都是镍三价，改变中间的位置，得到了一条曲线，理论一致，更加证实这样的事情。中学知道我们有一个苯环，然后有一个乙烯，苯环的特点是碳和碳首位相接变成一个环，里面的P点子进行共轭，乙烯的特点是连在一起头尾部相接。 镍、锰50%、50%的氧，发现里面是菜花结构，锂镍反位以后，正好是锰构成苯环，我们就提出这里面有没有方向性，方向性就是有没有共轭电子，什么叫共轭电子？真正承载了低轨道的共轭电子，共轭电子就是过渡金属，锰之间两个到六个之间直接电子交换，第二个有对称性，以某种对称性和过渡金属六面体进行配位，大家都知道，二茂铁，过渡金属芳香的苯环和下面、中间的铁结合。刚才我们讲到超交换相互作用，实际上两层之间通过超交换，还有层和层之间类似苯环、二茂铁的结构，给大家拓展视野，无机化合物里面承载了大的电子共轭相互作用。

大家知道层状材料，比如氢氧化物把锂插进去变成层状，又有反位。我一个博士后和黄老师第一次用单个颗粒把X射线聚焦，升温过程中看到结构从氢氧化物到锂的化合物的拖欠过程。我们看到对称性从过渡金属氢氧根的结合到跟氧结合的结构演化，其中包括元素迁移。它给所有做电池材料的人一个认识，所有的材料要进行重构的时候，必然产生中间的对称性破缺，对称性破缺以后，重构能力就非常低。如果不破缺，镍要跑到里层是不可能的。

这是我原来的团队。前几天的照片，感谢大家努力的工作，也感谢我的国际合作者。欢迎到北大深圳研究生院访问。谢谢大家！

主持人：谢谢潘教授。由于时间关系，限制一个问题。

提问：潘教授给我们描绘了电化学美妙的微观世界，潘教授的基础研究对我们构建高密度的动力电池的基础材料方面，在未来可以预见的时间里会不会带来直接的影响？

潘锋：基础研究的目的是什么？我们整个团队60、70人其中50、60人，包括合成、计算、测量，我们聚焦三个方向，第一个是眼前可产业化能量密度材料，把手机上的钴酸锂，现在到190容量，现在可以做到200多容量，我们发现里面的机理，我们直接预测什么样的东西可以的，申请专利。我们今年在考虑产业化。高镍材料，我们根据基础理论做了预测，做了高镍和高钴，下一个目标是深刻理解北大夏定国（音）教授所谓富锂锰基材料，我们找到它内在的机理，正在做超精格的计算，下一个目标能不能做到能量密度超过1000的材料，实现可控制备的产业化。这是我们的目标，希望对中国的锂电池产业从基础研究到产业化做出我们的一些努力。

（根据速记整理，未经嘉宾审阅）