程濤：我第一次開始接觸到電池領(lǐng)域的研究是2016年，當(dāng)時(shí)在美國的加州理工，德國的博世公司找到我們的教授想做一些固體電解質(zhì)方面的研究。博世公司當(dāng)時(shí)收購了固體電解質(zhì)材料的公司，但是他們碰到的問題就是說很好的材料，但是表現(xiàn)非常的差，那么問題在什么地方呢？我們想也許是不是并不是材料本身的問題，是不是界面上出現(xiàn)了問題，所以我們就想在這個(gè)方向上進(jìn)行研究工作，但是我們當(dāng)時(shí)做了文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)做這個(gè)方面研究的人非常少，所以我們決定自己做這樣一個(gè)模擬。

我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的事情，就是固體電解質(zhì)材料和鋰電級(jí)接觸的時(shí)候它會(huì)發(fā)生非常劇烈的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)非常快，但是問題是這個(gè)反應(yīng)會(huì)不會(huì)停下來這個(gè)是我們想知道的。所以我們就進(jìn)行了一個(gè)非常長時(shí)間的分子動(dòng)力學(xué)的模擬，當(dāng)然了我們當(dāng)時(shí)比較幸運(yùn)的是有這個(gè)基礎(chǔ)，大家又比較耐心，所以大概花了三個(gè)月的時(shí)間我們做了第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)模擬就是AIMD的模擬，在這個(gè)模擬里我們得到了幾個(gè)主要結(jié)論。

第一，這個(gè)反應(yīng)不會(huì)停下來，我們發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，它在界面上其實(shí)是可以發(fā)生一個(gè)相變的，這個(gè)相變的過程是很有趣的，我們知道在模擬里面成核和相變永遠(yuǎn)是一個(gè)非常困難的問題，非常大的挑戰(zhàn)。在這個(gè)工作里我們就學(xué)到一個(gè)非常重要事情，即使我們有好的電解質(zhì)材料，那么如果它界面不穩(wěn)定這個(gè)也是沒有辦法實(shí)現(xiàn)的。

但是2017年之后我就轉(zhuǎn)向做二氧化碳電還原了。雖然這個(gè)二氧化碳電還原看來和電池的研究沒有一個(gè)直接的相關(guān)性，但其實(shí)他們本質(zhì)上的關(guān)聯(lián)非常密切，因?yàn)樗麄兌际请娀瘜W(xué)反應(yīng)，在這個(gè)反應(yīng)里頭實(shí)際上我們當(dāng)時(shí)做固體電解質(zhì)研究的時(shí)候，我們也意識(shí)到我們沒有辦法再往下繼續(xù)去做的原因是，當(dāng)時(shí)在我們的模擬里面我們很難去考慮電壓的影響。

在二氧化碳電還原這個(gè)體系里頭，我們就集中精力發(fā)展了幾種適合電化學(xué)模擬的研究方法，這里面主要介紹三個(gè)。

第一，用于模擬電化學(xué)式的方面。

第二，反應(yīng)立場方法。

第三，加速分子動(dòng)力躍方法。

有了這些新的方法之后，發(fā)展了一套叫做虛擬半電級(jí)這么一個(gè)模擬體系，允許我們?nèi)ジ侠淼娜ツM電化學(xué)的反應(yīng)。我們用了一些已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去進(jìn)行驗(yàn)證，證明我們的方法是很可靠的方法。

我回國之后一直就想能不能重新再做一些電池方面的研究，我們很快就把目標(biāo)鎖定在SEI就是固體電解質(zhì)界面。SEI就是化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)耦合形成界面的這么一個(gè)過程，SEI也很重要，比方說我們知道現(xiàn)在想開發(fā)更高能量密度的電池，在這里面SEI顯然是非常重要的環(huán)節(jié)。

同時(shí)，我們也知道SEI和電池安全性非常有關(guān)系，我們熱失效很大一部分原因其實(shí)與SEI開始的一些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了一些可燃性氣體，但是SEI大家都非常認(rèn)可它的重要性，但是目前大家對(duì)它的了解非常少，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上能夠直接表征它的方法非常有限，到目前為止大家比較接受的有四代模型，這四代模型到現(xiàn)在為止最近的就是所謂的梅子布丁模型，我們注意到每一代模型其實(shí)背后它的推動(dòng)力都是技術(shù)的發(fā)展。

比方說第二代模型的推導(dǎo)主要是基于譜學(xué)，就是紅外和紫外的譜學(xué)，第三代模型它背后主要的推動(dòng)力量是SPS在電池里的應(yīng)用。第四代最近一代實(shí)際上主要來自于冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展。但是我們可以看到的說即便到了第四代我們其實(shí)對(duì)SEI的認(rèn)識(shí)也非常不清晰。右邊是實(shí)驗(yàn)上給大家看到的典型的SEI模型，一個(gè)好的SEI它的尺度大概在10納米，但是它中間的原子構(gòu)形其實(shí)是不清楚的，那么我們需要什么樣的技術(shù)來真正的解析這個(gè)SEI呢？我們電化學(xué)領(lǐng)域的很多專家包括李泓老師都強(qiáng)調(diào)一個(gè)叫工況模擬，最好是在不影響電池的情況下對(duì)它進(jìn)行檢測。

多尺度模擬實(shí)際上是非常理想的工況模擬，因?yàn)槲覀兤鋵?shí)對(duì)SEI的研究時(shí)，沒有對(duì)他進(jìn)行任何的破壞，所以有沒有可能是計(jì)算模擬驅(qū)動(dòng)更精確的SEI模型，我們認(rèn)為是有可能的。希望能夠在原子層面上去解析10納米的電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但是這個(gè)問題本身實(shí)際上也是很難的，從模擬角度來講，目前來說沒有一個(gè)方法去做。量化的方法它很準(zhǔn)確，但是就是非常昂貴，我們前面估計(jì)如果我們要做這樣一個(gè)模擬的話，至少要做大概幾萬個(gè)原子模型，這樣的話我們可能就要把這個(gè)問題剖開來看，看看我們能不能把這個(gè)問題分解成幾個(gè)獨(dú)立的問題。

然后對(duì)于各自的問題我們用一個(gè)相應(yīng)合適的方法去解決它，根據(jù)SEI形成過程，我們可以把它分成三個(gè)過程。

第一，初始的SEI的形成。

第二，電化學(xué)增長。

第三，納米重構(gòu)。

在這三個(gè)層面上我們就可以分別設(shè)計(jì)方法去研究它，對(duì)于這個(gè)初始SEI形成過程它是一個(gè)比較快的過程，所以我們是有可能用量子化學(xué)的方法去解決它，但是就像我們前面講過的如果單純用量子化學(xué)的方法它還是挺貴的，你可能像我們之前500個(gè)皮秒的計(jì)算，可能還是要花三個(gè)月的時(shí)間。

那我們能不能把這個(gè)計(jì)算效率給它提升一下呢？我們這邊簡單的想法就是我們可以把量子化學(xué)和一些更便宜的方法耦合在一起。因?yàn)閷?shí)際上在電解質(zhì)界面的研究過程當(dāng)中，很大一部分時(shí)間是質(zhì)量傳輸，這個(gè)質(zhì)量傳輸過程我們是可以用一些經(jīng)驗(yàn)的方法去做，并不會(huì)喪失它的精度。

所以我們在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展了一種雜化的方法，把這個(gè)量子化學(xué)和反應(yīng)立場結(jié)合在一塊兒，這樣就可以達(dá)到加速的目的，這樣的話我們就在不降低模擬精度的情況下，能夠把這個(gè)模擬提高10-100倍，也就是說我原本要進(jìn)行三個(gè)月的模擬，現(xiàn)在我們可能幾天時(shí)間就可以完成。

我給大家介紹一些我們的應(yīng)用案例，首先高濃電解液的理論模擬，我們知道實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)這個(gè)高濃的電解液，它有一個(gè)非常好的表現(xiàn)，它到底為什么有這么好的表現(xiàn)呢？我們這個(gè)模擬就可以看出來當(dāng)我們是非常高濃的情況下我們確實(shí)會(huì)形成一層比較均一些氟化鋰的膜，這個(gè)大家一直認(rèn)為是好的無機(jī)部分，可以組織SEI的進(jìn)行，我們在模擬中也確實(shí)看到了這樣一個(gè)現(xiàn)象。

接下來我們也可以去研究一些更復(fù)雜的過程，這里面我們舉了一個(gè)例子就是這么一個(gè)硼的反應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)你材料里頭有一些硼機(jī)助劑的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些非常有趣的過程就是它會(huì)出現(xiàn)比較大的寡聚體，這個(gè)很有可能引發(fā)后面的聚合反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上可能表現(xiàn)比較好的一些電解質(zhì)材料里會(huì)形成有一些聚合物的成分，這些聚合物可能就是大家經(jīng)常說的固體電解液界面中無定型的部分。我們第一個(gè)階段基本上就完成了。

我們?nèi)绻涯M尺度，空間尺度提升會(huì)不會(huì)有更有意思的現(xiàn)象呢？在這里面我們就用到了一個(gè)反應(yīng)立場這么一個(gè)方法。但是這個(gè)方法它原本的模型是不能處理電壓的，但是我們通過分析之后我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)在反應(yīng)立場里引入電壓這個(gè)效應(yīng)其實(shí)比較直接，所以我們通過對(duì)程序，函數(shù)形式做了一些修改，我們現(xiàn)在可以用反應(yīng)立場去模擬它的電壓效應(yīng)。充放電過程當(dāng)中鋰它是如何成核，就是我們在充電過程當(dāng)中它是如何在金屬表面成核的過程，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的機(jī)理就是從一個(gè)剝離鈦轉(zhuǎn)化到晶體鈦的這么一個(gè)過程，這些也許可能對(duì)我們理解它的充放電過程有一個(gè)幫助，也許對(duì)材料設(shè)計(jì)有一些，評(píng)價(jià)它的性能有一些影響。

在和專家討論的過程當(dāng)中，有一些老師比如說李泓老師就提出一些問題，我們雖然看到了初始寡聚體的產(chǎn)生，那我們能不能在更長時(shí)間尺度內(nèi)去預(yù)測它如何去長成更大的聚合物。我們現(xiàn)在的想法就是我們有可能在更大尺度上用更加大尺度的模擬方法去做這個(gè)事，我們這里面用到了動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛這么一個(gè)方法，預(yù)測聚合物的生長過程和構(gòu)型。

我們的基本目標(biāo)就是希望能夠建立一套基于底性原理的預(yù)測框架，這套框架本身就是可以不依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后完全從理論計(jì)算方法出發(fā)，去預(yù)測固體電解液界面的結(jié)構(gòu)和它的性能。

最后，我們這個(gè)模擬對(duì)智能制造的關(guān)系可以有兩個(gè)方面的理解。

第一，怎么能夠把理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合更緊密，這里面我們的落腳點(diǎn)就是理論計(jì)算的譜學(xué)和實(shí)驗(yàn)計(jì)算的譜學(xué)，在電池領(lǐng)域我們看大家用的比較多的方法，比方說紅外和紫外光譜，或者是XPS的化學(xué)位移。這些實(shí)際上理論預(yù)測是可以給我們非常好的預(yù)測結(jié)果，這個(gè)我覺得是理論模擬和實(shí)驗(yàn)可以接獲的落腳點(diǎn)之一。

第二，機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)際上是通用的方法，它對(duì)很多行業(yè)都產(chǎn)生推動(dòng)作為，在電池領(lǐng)域，在模擬領(lǐng)域它也會(huì)發(fā)揮同樣作用，關(guān)鍵問題就是大家怎么去用它。大家根據(jù)自己的需求有各種各樣的應(yīng)用方法，我們現(xiàn)在主要用機(jī)器學(xué)習(xí)做的工作就是用它去預(yù)測它的譜學(xué)，從而大大降低模擬的計(jì)算量。