厦门大学田中群院士：探讨面向能源电化学的新一代表征方法——从工况表征到人工智能
电化学科学与技术在新能源等领域扮演着日益重要的角色且面临巨大挑战，传统的原位和非原位表征方法难以满足具有大流量、高密度且动态变化的传荷、传能和传质的大型电化学能源器件的需求，无法全面获取有关各类界面结构与过程的能（量）-时（间）-空（间）相关信息。厦门大学田中群院士及其同事们在讨论谱学电化学发展脉络和分析非原位、原位和工况三类表征的本质性区别的基础上，展望面向新型电化学能源器件/系统的新一代工况表征实验和理论方法，建议着重发展可实时检测关键反应中间物/产物的谱学和传感技术，全面跟踪各个界面和体相的动态变化特别是它们之间的耦合与串扰，进而解析整个系统内相互关联的复杂机制；强调能源器件工况表征技术进一步与兴起的人工智能技术优势互补，将实现各类工况表征和检测模块与器件的工况调控部分的系统结合。通过人工智能辅助，快速获取并分析工况表征数据后及时反馈至器件/系统的控制中心后做出调控工作参数决定，实现器件在工况下的检测-解析-控制的全闭环模式。基于人工智能驱动，将原本数个分立且耗时低效的操作模块有机地合为一体，不仅可优化系统和获取大量数据，而且有望指导生成全新的电化学能源器件，发展为未来研究范式，为发展能源电化学、化学测量学和界面科学乃至建立系统电化学等新方向提供新途径。
在新能源的重大需求和迅猛发展背景下，电化学科学与技术在能源及相关领域扮演着日益重要的角色，电解（例如制氢、氯碱、铝等）、燃料电池、动力电池、储能电池等电化学能源器件要求达到很高的工作电流密度（如超过1 A cm−2），远偏离电化学平衡态（如超电势超过0.7 V）。这些器件的工作运行涉及在多类带电界面（如固-液、固-固、固-液-气）进行强烈的传荷、传能和/或传质过程（也可描述为强大的能量流和物质流的串联或串并联耦合过程）。其能量转化效率、电化学反应路径、工作失效和安全机制往往取决于每个界面的动态结构和过程，难以用传统电化学所用的略偏离平衡态的界面模型描述和理论分析。亟待发展新一代的界面电化学的表征方法，方可深入探究其复杂机理和剖析关键反应产物，进而指导相关能源器件的优化和推动界面科学技术的创新发展。
面向能源需求的电化学技术和产业需用全链条的视野关注原料、材料、器件、应用四个层次的问题。“料-材-器-用”四个层次及其关联环节都与测试紧密相关。通常需要对原料、材料和器件进行纯度、缺陷、性能等的全方位表征分析。有些研究仅从材料的角度来考虑问题，基于新材料构建器件后，直接进行性能测试，若性能不佳，则返回改变和调整材料组成和结构，并再次组装器件测试性能。如此“制备材料/构筑器件-性能测试与调控”二元往复的研究方法看似简单，但试错模式导致时间、人力和物力成本巨大，更难以高效实现高性能目标和可持续创新发展。因此，在二元为主的体系中加入表征/机理的环节，进而形成如图1所示“制备材料/构筑器件-性能测试与调控-表征解释/认知机理”三元循环而实现高效的螺旋式提升，这对于系统研究前所未有复杂的能源电化学体系是非常必要的。而在表征环节中，相比较于各类材料的本体和本征物性表征，各种微观和动态界面表征是重中之重。