基于科學(xué)計量的鋰電池固態(tài)電解質(zhì)研究前沿與熱點分析

沈利華,郭全珍

(浙江大學(xué)圖書館,浙江 杭州 310027)

1 前 言

鋰離子電池因循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢被視為是最具發(fā)展前景的清潔能源之一。當(dāng)前鋰電池技術(shù)的發(fā)展趨勢是高安全性、高比能量。但是,傳統(tǒng)鋰離子電池以有機電解液作為離子和電子傳輸介質(zhì),雖具有高電導(dǎo)率和優(yōu)異的電極表面浸潤性,但其熱穩(wěn)定性差,離子選擇性低,還存在易燃、易漏和易爆炸等安全性問題。同時傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池已不能滿足《中國制造2025》提出的更高能量密度需求(2025、2030年分別達(dá)到400、500 Wh/kg)。固態(tài)電解質(zhì)具有安全性高、耐溫性好、循環(huán)壽命長、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點,用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)不僅克服了電解質(zhì)持久問題、解決了致命的安全隱患,同時還可以采用富鋰、高鎳三元材料、硫或鋰金屬、硅負(fù)極等高能量正負(fù)極材料,從而獲得高安全、高能量密度的固態(tài)鋰電池?；谶@些優(yōu)點,固態(tài)電解質(zhì)電池的研究使用已經(jīng)出現(xiàn)迅速增長的趨勢。

目前,固態(tài)鋰電池采用的固態(tài)電解質(zhì)主要有3種技術(shù)路線:無機陶瓷電解質(zhì)(含硫化物和氧化物基等)、聚合物電解質(zhì)和復(fù)合型電解質(zhì)(陶瓷-聚合物復(fù)合型電解質(zhì))。硫化物基電解質(zhì)有Li10GeP2S12(LGPS)、Li2S-P2S5系和Li7P3S11電解質(zhì)等[1-3]；氧化物基電解質(zhì)有LiPON、鈣鈦礦型、NASICON 型和石榴石型電解質(zhì)等[4-7]；聚合物電解質(zhì)有聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)和聚偏氟乙烯(PVDF)等[8-13]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展,固態(tài)電解質(zhì)及其電池的研究取得了長足進(jìn)步,但仍存在著一些問題,如無機固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面阻抗大、質(zhì)地脆、加工性差,有機固態(tài)電解質(zhì)室溫離子導(dǎo)電率差、電化學(xué)穩(wěn)定窗口小等問題。

科學(xué)知識圖譜,是顯示科學(xué)知識的發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形,它以科學(xué)知識為計量研究對象,屬于科學(xué)計量學(xué)范疇。利用一組特定主題領(lǐng)域的文獻(xiàn),通過知識圖譜工具可以生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的交互式圖像即領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)知識圖譜,從而實現(xiàn)定量分析和視覺探索,以揭示主題領(lǐng)域研究的演化路徑和研究現(xiàn)狀,并預(yù)測發(fā)展前沿等。本研究依據(jù)科學(xué)計量學(xué)理論,基于CiteSpace、VOSviewer等可視化定量分析工具,對近十年來鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,并繪制科學(xué)知識圖譜,系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域的研究前沿與研究熱點,從而為科研管理者與領(lǐng)域相關(guān)科研人員提供參考借鑒。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與檢索策略

數(shù)據(jù)來源于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫,設(shè)定的檢索策略為:TS=((solid-state NEAR batter*OR solid-electrolyte * OR solid-state NEAR/3 electrolyte*)AND(Li or lithium)NEAR/5 batter*)AND(TI=electrolyte* OR AK=electrolyte*OR KP = electrolyte * ),子庫限定為 SCIEXPANDED、SSCI、A&HCI、CPCI-S、CPCI-SSH、BKCI-S、BKCI-SSH,時間跨度為:2012～2022 年,未限定文獻(xiàn)類型,共檢索到文獻(xiàn)記錄9304篇,去重后獲得9 236篇。(數(shù)據(jù)檢索時間:2022年6月5日)

2.2 研究工具和方法

本研究采用CiteSpace(v.6.2.R2)和VOSviewer(1.6.18)進(jìn)行鋰電池固態(tài)電解質(zhì)數(shù)據(jù)集的可視化分析。

首先,采用CiteSpace構(gòu)建參考文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究前沿的探測與分析。CiteSpace 使用時間切片技術(shù)構(gòu)建隨時間變化的時間序列網(wǎng)絡(luò)并形成一個概覽網(wǎng)絡(luò)圖譜,幫助人們通過圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點、聚類及色彩來分析某個研究主題的演變與發(fā)展。本研究分析中采用了每年引用次數(shù)排序前1%且排序在前100位的文獻(xiàn)來構(gòu)建共被引網(wǎng)絡(luò),并通過聚類功能實現(xiàn)研究前沿的探測。在網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(被引文獻(xiàn))形成的聚類代表了研究領(lǐng)域的知識基礎(chǔ),而引用這些文獻(xiàn)的施引文獻(xiàn)則構(gòu)成了相關(guān)的研究前沿[14-15]。一個節(jié)點的引文歷史用若干個代表不同年份的顏色年輪來表現(xiàn),從而通過節(jié)點的顏色分布可以判斷其施引文獻(xiàn)的年代分布情況；而節(jié)點之間邊的顏色則表示它們共被引連接首次出現(xiàn)的時間,因此可以從聚類中節(jié)點與邊的顏色判斷其所代表的研究前沿活躍的年度情況。此外,CiteSpace中中介中心性超過0.1的節(jié)點被稱為關(guān)鍵節(jié)點,會使用紫色外圈進(jìn)行重點標(biāo)注(中介中心性是一個結(jié)點擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)中其他兩個結(jié)點之間最短路徑橋梁的次數(shù),次數(shù)越高則其中介中心性越大)。本研究通過對聚類中部分被引文獻(xiàn)和施引文獻(xiàn)的陳述和解讀來進(jìn)行相應(yīng)研究前沿的解讀。

其次,采用VOSviewer構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行領(lǐng)域近十年研究熱點的分析。VOSviewer軟件設(shè)計的核心思想是“共現(xiàn)聚類”,即兩個事物同時出現(xiàn)代表它們之間是相關(guān)的,而相關(guān)關(guān)系存在強度和方向的不同,基于關(guān)系強度與方向的測度指標(biāo)聚類可尋找不同類型的團(tuán)體[16]。本研究采用經(jīng)過清洗后詞頻在15次及以上的222個高頻關(guān)鍵詞開展共現(xiàn)聚類來進(jìn)行領(lǐng)域研究熱點的分析。在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中,關(guān)鍵詞節(jié)點的大小由包含該詞的文獻(xiàn)數(shù)量決定,節(jié)點間連線的粗細(xì)則體現(xiàn)了關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)強度,那些聯(lián)系最緊密的關(guān)鍵詞在聚類時將被歸為一類,從而代表一個研究熱點。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域研究前沿探測

鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域合成的研究前沿共被引網(wǎng)絡(luò)共包含366個節(jié)點,2 023條邊,其中最大的連接網(wǎng)絡(luò)包含337個節(jié)點,占整個網(wǎng)絡(luò)的92%。該網(wǎng)絡(luò)具有很高的模塊值(Q 值),為0.727 6,網(wǎng)絡(luò)平均輪廓值(S值)更高達(dá)0.946 2,說明網(wǎng)絡(luò)的共被引聚類結(jié)果結(jié)構(gòu)顯著、效果信服,是具有明確意義的。網(wǎng)絡(luò)圖譜中共展示7個聚類(圖1),每個聚類都可通過標(biāo)題、關(guān)鍵字和摘要中的術(shù)語或引用聚類文獻(xiàn)的抽象術(shù)語等進(jìn)行標(biāo)記,本研究主要通過結(jié)合標(biāo)題與關(guān)鍵詞的標(biāo)記術(shù)語完成對聚類所代表的研究前沿的標(biāo)引。表1中按照核心論文數(shù)列出了7個聚類所代表的研究前沿及其參數(shù)情況,其中輪廓值是反映聚類結(jié)果同質(zhì)性或一致性的指標(biāo),越趨向于1表明聚類結(jié)果同質(zhì)性越高、越高效可靠,從表中可以看到這7個聚類均具有較高的輪廓值。各聚類中節(jié)點和邊界主要的顏色分布可以用來判斷該研究前沿活躍的時間區(qū)間,在該聚類圖譜中具有黃色區(qū)域的聚類說明其代表的研究前沿目前仍在活躍期,從圖1 中 可 以 看 到 主 要 有5 個(0#、2#、3#、4#和6#),本研究重點對這部分研究前沿進(jìn)行解讀與分析。

圖1 鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域共被引網(wǎng)絡(luò)聚類圖Fig.1 Cluster map of co-citation networks in the field of solid-state electrolytes for lithium batteries

表1 鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域共被引聚類研究前沿Table 1 Research fronts of co-citation clustering in the field of solid-state electrolyte for lithium batteries

3.1.1 研究前沿①:石榴石型固態(tài)電解質(zhì)——0#聚類 0#是規(guī)模最大且當(dāng)前十分活躍的聚類,研究活躍期從2017年前后至今,主要關(guān)注石榴石型固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)研究,包括采用界面涂層改性解決阻抗問題、鋰滲透模型及界面對電池性能的影響等(表2),共包含78篇共被引文獻(xiàn)。其中,被引次數(shù)最高且中心性也較高的文章是Manthiram 等[17]發(fā)表的關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)材料的最新技術(shù)、離子傳輸機制和基本特性的綜述,文章提出了固態(tài)電解質(zhì)的主要問題如實現(xiàn)可接受的離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能以及兼容的電解質(zhì)/電極界面等；Han的文章[19]報道了通過原子層沉積超薄氧化鋁解決了鋰金屬負(fù)極和石榴石電解質(zhì)之間的大界面阻抗問題；Bachman等[20]的文章則綜述了鋰電池用無機固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機制和基本特性；Sun等[21]綜述了全固態(tài)電池材料包括無機陶瓷和有機固體聚合物電解質(zhì)材料的現(xiàn)狀,強調(diào)了電解質(zhì)及其與電極相關(guān)的界面對電池性能影響的重要性。覆蓋率前5的施引文獻(xiàn)[22-26]均引用了該聚類中超過50%的文獻(xiàn),其中Jia等[26]綜述了石榴石型固態(tài)電解質(zhì)在制造和原型電池上界面工程方面的進(jìn)展,其他文章涉及全固態(tài)電池的一些最新發(fā)展綜述,包括電解質(zhì)穩(wěn)定性與界面問題、鋰枝晶問題、復(fù)合電解質(zhì)等。

表2 石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的被引文獻(xiàn)與施引文獻(xiàn)——0#聚類Table 2 Cited and citing literatures of garnet-type solid-state electrolytes

3.1.2 研究前沿②:穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極——2#聚類2#是最近形成的聚類中規(guī)模較大的一個聚類,關(guān)注鋰離子電池中穩(wěn)定的金屬鋰負(fù)極相關(guān)研究,包括穩(wěn)定的電極材料設(shè)計、界面形貌表征、鋰枝晶抑制策略及其在鋰硫電池等方面的應(yīng)用等(表3),共包含57篇共被引文獻(xiàn),其研究活躍期從2015年前后開始一直延續(xù)至今。該聚類中引用次數(shù)最高且具有高中介中心性的文章[22,27]分別綜述了鋰電池中鋰金屬負(fù)極的材料設(shè)計、鋰枝晶生長機理及抑制策略、未來發(fā)展等內(nèi)容。Xu等[28]分析了影響鋰金屬負(fù)極形貌和庫侖效率的各種因素,回顧了用于表征鋰沉積形態(tài)的技術(shù)以及通過模擬鋰枝晶生長獲得的結(jié)果；Cheng 等[29]綜述了固態(tài)電解質(zhì)界面的形成機制、結(jié)構(gòu)模型及界面層表征的進(jìn)展,并介紹了在鋰金屬負(fù)極中實現(xiàn)穩(wěn)定和穩(wěn)健的固態(tài)電解質(zhì)界面以提高鋰金屬電池的循環(huán)效率和長循環(huán)壽命的策略。覆蓋率前5的施引文獻(xiàn)[22-25,30]均引用了該聚類中超過50%的文獻(xiàn),其中Cheng等的三篇文章[22,24-25]綜述了鋰電池中鋰金屬負(fù)極及其鋰枝晶生長問題,以及在鋰硫電池中的應(yīng)用；Guo等[23]的文章則回顧了鋰離子在沉積/溶解時的行為以及鋰金屬負(fù)極的失效機制,詳細(xì)總結(jié)了包括負(fù)極結(jié)構(gòu)定制、優(yōu)化電解質(zhì)、構(gòu)建人工負(fù)極-電解質(zhì)界面和功能化保護(hù)夾層在內(nèi)的具體策略；Li等[30]的文章則總結(jié)了金屬鋰負(fù)極的失效機制,并從表面工程、電場和鋰離子通量調(diào)節(jié)角度提出緩解策略。

表3 穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的被引文獻(xiàn)與施引文獻(xiàn)——2#聚類Table 3 Cited and citing literatures of stabilizing lithium metal anodes

3.1.3 研究前沿③:聚合物電解質(zhì)/復(fù)合電解質(zhì)——3#聚類 3#主要形成于2018 年前后,規(guī)模也較大且研究活躍,共包含48篇共被引文獻(xiàn)。其核心成員主要關(guān)注聚合物復(fù)合電解質(zhì)的相關(guān)研究,如復(fù)合電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、離子傳輸特性、界面特性等(表4)。中心性最高的文章Chen等[32]報道了復(fù)合聚環(huán)氧乙烷/石榴石電解質(zhì),采用“陶瓷中聚合物”和“陶瓷中聚合物”的兩種電解質(zhì)具有高的鋰離子導(dǎo)電率和無枝晶界面,以及較好的柔韌性與機械強度；Fu等[33]則報道了一種具有連續(xù)鋰離子傳輸通道的石榴石型LLZO 3D 陶瓷網(wǎng)絡(luò)-聚環(huán)氧乙烷復(fù)合材料；Zhao等[34]報道了用一種柔性陰離子固定陶瓷-聚合物復(fù)合電解質(zhì)來抑制鋰枝晶并構(gòu)建安全電池；Fan 等[35]的文章綜述了用于鋰金屬基電池的無機陶瓷、有機固體聚合物和有機-無機雜化/復(fù)合材料等固態(tài)電解質(zhì)的研究和開發(fā),討論了不同類型電解質(zhì)的比較。Zhang等[36]也報道了由石榴石(LLZTO)顆粒和聚環(huán)氧乙烷(PEO)組成的復(fù)合膜固態(tài)電解質(zhì)。施引文獻(xiàn)中覆蓋率前5 的文獻(xiàn)[37-41]引用該聚類的文獻(xiàn)均在40%左右,其中Mauger等[39]的文章從提高離子電導(dǎo)率的角度介紹固態(tài)電池與固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展,包括添加凝膠聚合物等；Liang等[40]綜述了混合電解質(zhì)的分類、合成方法和離子電導(dǎo)率機理,并闡述了提高其離子電導(dǎo)率的策略、界面問題及構(gòu)建不同組合固態(tài)電池的策略；而Fan等[37]、Ji等[41]和Li等[38]分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工技術(shù)以及離子遷移基本原理、電解質(zhì)特性、主要問題和潛在發(fā)展等方面綜述了無機-聚合物固態(tài)電解質(zhì)近年的發(fā)展。

表4 聚合物電解質(zhì)/復(fù)合電解質(zhì)的被引文獻(xiàn)與施引文獻(xiàn)——3#聚類Table 4 Cited and citing literatures of polymer/composite solid-state electrolytes

3.1.4 研究前沿④:硫化物超離子導(dǎo)體——4#聚類4#是本文研究中延續(xù)時間最長的一個聚類,活躍期貫穿于分析的整個范圍,共包含了37篇共被引文獻(xiàn),核心成員主要涉及硫化物超離子導(dǎo)體,包括其離子導(dǎo)電率、結(jié)構(gòu)及傳導(dǎo)活化能等的相關(guān)研究(表5)。在共被引文獻(xiàn)[1,42-45]中,中心性最高的文章為Kamaya等[1]發(fā)表的關(guān)于一種具有新的三維框架結(jié)構(gòu)的鋰超離子導(dǎo)體Li10GeP2S12,它在室溫下表現(xiàn)出極高鋰離子電導(dǎo)率；此外,Wang 等[43]揭示了快速鋰導(dǎo)電材料中陰離子堆積和離子傳輸之間的基本關(guān)系,并揭示了良好鋰離子導(dǎo)體的理想結(jié)構(gòu)屬性——體心立方陰離子框架；而Seino等[44]則報道了一種經(jīng)過熱處理的Li2S-P2S5玻璃陶瓷導(dǎo)體具有極高離子電導(dǎo)率和最低的室溫下傳導(dǎo)活化能。施引文獻(xiàn)中覆蓋率前5的文獻(xiàn)[46-50]中Gao等[47]概述了鋰離子無機固態(tài)電解質(zhì)中的離子傳輸,提出了未來材料系統(tǒng)、合成和表征方法以及理論和計算的策略；Yao等[48]則綜述無機固體電解質(zhì)全固態(tài)鋰電池的科學(xué)基礎(chǔ),涉及固體電解質(zhì)、電極材料、電解質(zhì)/電極界面現(xiàn)象、制備和評價等。

表5 硫化物超離子導(dǎo)體的被引文獻(xiàn)與施引文獻(xiàn)——4#聚類Table 5 Cited and citing literatures of sulfide superionic conductors

3.1.5 研究前沿⑤:固態(tài)電解質(zhì)界面相——6#聚類6#是最近才形成的聚類,包含了25篇共被引文獻(xiàn),活躍期集中于2018 年后,核心成員主要涉及固態(tài)電解質(zhì)界面相關(guān)問題研究,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計策略、建模、改性、表征等(表6)。共被引文獻(xiàn)[51-55]中Peled等[51]和An等[53]的文章都對鋰電池中固態(tài)電解質(zhì)界面相的理論發(fā)展歷程進(jìn)行了綜述,也回顧了界面相結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組成、電化學(xué)等；Liu 等[52]則討論了高比能長循環(huán)鋰金屬電池的設(shè)計,包括影響電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素,以及減少固態(tài)電解質(zhì)-鋰界面反應(yīng)、保護(hù)鋰電極表面和穩(wěn)定的長循環(huán)高比能電池鋰金屬負(fù)極結(jié)構(gòu)等相關(guān)策略；Wang 等[54]的文章綜述了鋰金屬負(fù)極固態(tài)電解質(zhì)界面相從電子結(jié)構(gòu)到中尺度的建模相關(guān)研究進(jìn)展；Fan 等[55]則報道了高度氟化的界面相能夠抑制鋰枝晶而使高壓鋰金屬電池成為可能。施引文獻(xiàn)中覆蓋率前5的文獻(xiàn)中He等[56]從腐蝕科學(xué)的角度討論了鋰金屬-電解質(zhì)界面相的自發(fā)反應(yīng)和操作誘導(dǎo)反應(yīng)；Horstmann等[57]討論了正確的固態(tài)電解質(zhì)界面相設(shè)計如何實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán),包括電解質(zhì)設(shè)計、人工界面相和三維框架設(shè)計等；Jie等[59]重點介紹了鋰金屬電池界面處的熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性,并探索了電解質(zhì)-電極界面相的新興表征技術(shù)；Park等[60]綜述了旨在控制液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)電池中無負(fù)極電池配置的異質(zhì)集流體上的鋰沉積的各種策略,包括電解質(zhì)設(shè)計、設(shè)計人工固體電解質(zhì)界面相和采用3D主體。

表6 固態(tài)電解質(zhì)界面相的被引文獻(xiàn)與施引文獻(xiàn)——6#聚類Table 6 Cited and citing literatures of solid-sate electrolyte interfacial phase

3.3 鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域近十年研究熱點分析

前文通過對當(dāng)前活躍的文獻(xiàn)聚類及重要引文和施引文獻(xiàn)內(nèi)容的解讀探測了領(lǐng)域的研究前沿情況。本部分利用領(lǐng)域文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類網(wǎng)絡(luò)來分析固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域近十年的主要研究熱點情況。通過對作者提供的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的清洗統(tǒng)計,選取詞頻15次及以上的222個高頻關(guān)鍵詞(為使分析更準(zhǔn)確,網(wǎng)絡(luò)中去除了檢索詞相關(guān)關(guān)鍵詞包括:solid state electrolyte/solid electrolyte、lithium ion battery/lithium metal battery/lithium battery)建立共現(xiàn)聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜(圖2)。近十年固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域主要的研究熱點主要集中在幾個方面:一是無機固態(tài)電解質(zhì)包括硫化物固態(tài)電解質(zhì)、石榴石型固態(tài)電解質(zhì)及其離子導(dǎo)電率等問題研究,核 心 節(jié) 點 詞 包 括“ionic conductivity”、“all-solidstate battery”、“garnet”、“LLZO”、“sulfide solid electrolyte”、“Li ion conductivity”等；二是固態(tài)聚合物電解質(zhì)/復(fù)合電解質(zhì)的相關(guān)研究,核心關(guān)鍵詞包括“solid polymer electrolyte”、“poly(ethylene oxide)”、“composite polymer electrolyte”、 “interfacial stability”、“in-situ polymerization”等；三是電極結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計及其對電池電化學(xué)性能的影響,重要的節(jié)點 詞 包 括 “anode”、 “energy storage”、“electrochemistry”、“cathode”、“thin film”、“atomic layer deposition(ALD)”、“surface coating”等；四是固態(tài)電解質(zhì)界面相問題研究,核心節(jié)點詞包括“solid electrolyte interphase(SEI)”、“electrolyte additive”、“silicon anode”、“graphite”、“density functional theory”、“cycling stability”等；五是鋰金屬負(fù)極中鋰枝晶抑制相關(guān)問題及其在鋰硫電池等中的應(yīng)用,核心節(jié)點有“Li metal anode”、“Li-S battery”、“Li dendrite”、“artificial SEI”、“dendrite-free”、“shuttle effect”等；六是高能量密度高安全性準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池相關(guān)研究,核心節(jié) 點 詞 有“ionic liquid”、“Li metal”、“safety”、“high energy density ”、 “quasi-solid-state electrolyte”、“hybrid electrolyte”、“LiPON”等。

圖2 鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Co-occurrence clustering network diagram of high-frequency keywords in the field of solid-sate electrolytes for lithium batteries

4 結(jié) 論

固態(tài)鋰電池是新能源領(lǐng)域最有希望的下一代高能量密度電池體系之一,而固態(tài)電解質(zhì)是其中關(guān)鍵核心的組成部分,吸引了大批研究人員的關(guān)注。本研究借助科學(xué)知識圖譜對2012年至今近十年來鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域的研究前沿與熱點進(jìn)行了可視化分析,通過領(lǐng)域重要基礎(chǔ)文獻(xiàn)的共被引分析探測與解讀了領(lǐng)域的研究前沿,通過主要關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析識別了領(lǐng)域的研究熱點。主要研究結(jié)果如下:

1.從領(lǐng)域共被引網(wǎng)絡(luò)的分析探測到鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域目前研究十分活躍5個研究前沿,分別是①石榴石型固態(tài)電解質(zhì),包括界面涂層改性解決阻抗等問題、鋰滲透模型及界面對電池性能的影響等研究；②穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極,包括穩(wěn)定的電極材料設(shè)計、界面形貌表征、鋰枝晶抑制策略及其在鋰硫電池等中的應(yīng)用；③聚合物復(fù)合電解質(zhì),包括復(fù)合電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、離子傳輸特性、界面特性研究等；④硫化物超離子導(dǎo)體,包括其離子導(dǎo)電率、結(jié)構(gòu)及傳導(dǎo)活化能等的相關(guān)研究；⑤固體電解質(zhì)界面相,包括界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略、建模、改性、表征等問題研究。

2.通過領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)聚類網(wǎng)絡(luò)識別了近十年來鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域6個研究熱點,包括:無機固態(tài)電解質(zhì)包括硫化物固態(tài)電解質(zhì)、石榴石型固態(tài)電解質(zhì)及其離子導(dǎo)電率等問題研究,固態(tài)聚合物電解質(zhì)和復(fù)合電解質(zhì)的相關(guān)研究,電極結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計及其對電池電化學(xué)性能的影響研究,固態(tài)電解質(zhì)界面相問題研究,鋰金屬負(fù)極中鋰枝晶抑制相關(guān)問題及其在鋰硫電池等中的應(yīng)用,高能量密度高安全性準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池相關(guān)研究。其中,從核心關(guān)鍵詞的詞頻由高到低來看,近十年來領(lǐng)域最受關(guān)注的熱點關(guān)鍵詞有“solid electrolyte interphase(SEI)”、“l(fā)ithium metal anode”、“ionic conductivity”、“l(fā)ithium sulfur battery”、“solid polymer electrolyte”和“l(fā)ithium dendrite”等。可見這些研究熱點中,界面相問題是固態(tài)電解質(zhì)研究中最受關(guān)注的問題。固體電解質(zhì)界面相被認(rèn)為是決定電池長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,在過去十年中界面相材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)和熱力學(xué)被認(rèn)為對二次電池實現(xiàn)電極可逆性至關(guān)重要,特別是在金屬負(fù)極電池系統(tǒng)中[61],且其相關(guān)問題也貫穿于固態(tài)電池研究的各個方面,成為鋰電池固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域最核心的研究熱點。其次,鋰金屬負(fù)極的研究也在近年來呈現(xiàn)“復(fù)興”狀態(tài),金屬鋰在電化學(xué)勢方面的優(yōu)勢使其成為下一代高能量電池負(fù)極的首選,但鋰枝晶等問題的存在嚴(yán)重影響了其電池的安全性和循環(huán)壽命,因此解決這一困擾的難題也成為固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)研究中的重要話題。此外,固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)量輕、柔性好、與電極材料接觸良好界面阻抗小,但存在電化學(xué)窗口較窄、力學(xué)性能較差、離子電導(dǎo)率較低的缺點,復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)將無機固態(tài)電解質(zhì)與聚合物固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行復(fù)合,與單一的聚合物固態(tài)電解質(zhì)相比熔融溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均有所提升,鋰離子電導(dǎo)率與力學(xué)性能也均有顯著提高,因此吸引了廣泛關(guān)注成為了近年來鋰電池固態(tài)電解質(zhì)研究的重要方面。

3.本研究中所說的“研究前沿”是由一簇共被引文獻(xiàn)聚類形成的高被引論文及其后續(xù)的施引論文形成的一個專業(yè)“研究方向”,“研究熱點”則是由領(lǐng)域文獻(xiàn)中高頻關(guān)鍵詞在論文中的共現(xiàn)關(guān)系聚類形成的若干主要“研究內(nèi)容”,并不能完全等同于科學(xué)研究中的前沿科學(xué)問題和研究領(lǐng)域,所以文中方法只能從監(jiān)測分析科學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢的視角揭示相應(yīng)主題領(lǐng)域研究的演化路徑和研究現(xiàn)狀。此外,文獻(xiàn)引用信息存在滯后性,關(guān)鍵詞信息也不能完整反映出研究的內(nèi)容,因此在領(lǐng)域研究前沿的揭示和研究熱點的解讀中仍有許多可以繼續(xù)完善的工作,比如加強對施引文獻(xiàn)的利用以及對關(guān)鍵詞所代表文獻(xiàn)內(nèi)容的深入挖掘等等,將有助于獲得對科學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行更全面的分析與監(jiān)測。