基于Web of Science的鋰離子電池研究前沿可視化分析

陳 盼，趙志娟

（浙江省科技項目管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310006）

氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國二氧化碳的排放，溫室氣體猛增，對生命系統(tǒng)形成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，中國由此提出碳達峰和碳中和目標。為了實現(xiàn)這一目標，儲能產(chǎn)業(yè)將會發(fā)揮更大作用，而鋰離子電池作為一種很有發(fā)展前景的儲能技術(shù)，由于其具有高電壓、高能量密度、高安全性、低自放電率等優(yōu)點，逐漸被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、新能源電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域，目前已成為全球關(guān)注的焦點。同時也有越來越多的科研人員涉足此領(lǐng)域，開展相關(guān)的研究，以期在該領(lǐng)域中能夠找到突破點，推動該領(lǐng)域的深度發(fā)展。在實際科研工作中，研究人員常常需要面對海量的文獻，如何從中快速了解該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、研究熱點以及未來的研究趨勢，在如今快速發(fā)展的社會中顯得尤為重要。

CiteSpace 作為一款優(yōu)秀的文獻計量學軟件，它能夠?qū)⑽墨I之間的關(guān)系以科學知識圖譜的方式可視化地展現(xiàn)在操作者面前，既能幫助操作者梳理過去的研究軌跡，也能使他們對未來的研究前景有一個大概的認識。鑒于此，筆者基于Web of Science（WOS）核心合集數(shù)據(jù)庫，采用CiteSpace 軟件對鋰離子電池領(lǐng)域的相關(guān)文獻繪制出知識圖譜，以直觀的形式分析該領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀、知識基礎(chǔ)、研究熱點及研究前沿，以期為研究人員及管理人員在了解該領(lǐng)域時提供一定的借鑒和參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

筆者以Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以“l(fā)ithium-ion batter*”為標題，文獻類型選擇“article”“review”，語種選擇“English”，時間設(shè)置為2001—2020 年，進行高級檢索，共檢索出23 195 篇文獻，作為研究的數(shù)據(jù)來源。

1.2 研究方法

筆者首先采用Web of Science 自帶的分析檢索結(jié)果功能，對發(fā)文時間和發(fā)文量進行了研究。此外，采用Citespace 軟件（版本Citespace 5.7.R2，64 bit）對鋰離子電池的研究作者、機構(gòu)、國家的合作網(wǎng)絡(luò)、文獻共被引及關(guān)鍵詞共現(xiàn)等進行可視化分析。CiteSpace 是美國德雷塞爾大學陳超美團隊開發(fā)的可視化文獻分析軟件，該軟件生成的圖譜已成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域的文獻計量學研究，它能以知識化圖譜的方式直觀展示研究前沿領(lǐng)域的演進歷程及未來發(fā)展趨勢。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文時間和發(fā)文量結(jié)果與分析

某一學術(shù)領(lǐng)域在一段時間內(nèi)的文獻發(fā)表數(shù)量變化可在一定程度上反映出該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱度及研究趨勢。從WOS 數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出鋰離子電池領(lǐng)域發(fā)表的國內(nèi)外文章，其發(fā)文數(shù)量隨時間的變化如圖1所示。從圖中可以看出，2001—2010 年期間，發(fā)文數(shù)量增長緩慢，年增長幅度也不大，均低于20 年來的平均數(shù)，說明在此期間鋰離子電池基礎(chǔ)研究不夠活躍；2010—2014 年期間，發(fā)文數(shù)量增長迅速，很可能是由于國內(nèi)外開始對發(fā)展新能源汽車重視起來的緣故，而鋰離子電池重要應(yīng)用場景之一便是新能源汽車；2014—2020 年期間，發(fā)文數(shù)量平穩(wěn)增長，說明經(jīng)過前期的積累，鋰離子電池研究逐漸趨于成熟，具有較高的研究價值。

圖1 WOS 數(shù)據(jù)庫鋰離子電池研究的發(fā)文數(shù)量情況

2.2 發(fā)文作者、機構(gòu)和地區(qū)合作網(wǎng)絡(luò)結(jié)果與分析

CiteSpace 軟件可對發(fā)文作者、機構(gòu)以及地區(qū)進行合作網(wǎng)絡(luò)圖譜的繪制，從中可以解析出鋰離子電池研究領(lǐng)域不同水平的合作關(guān)系，進而了解該領(lǐng)域內(nèi)最具影響力的個人、機構(gòu)和國家。

表1 展示了發(fā)文量排名前10 名的作者、研究機構(gòu)及國家。從發(fā)文作者來看，鋰離子電池研究領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量位居前 2 位的作者是MARTⅠN WⅠNTER（馬丁·溫特，德國工程科學院院士，德國明斯特大學材料科學、能源和電化學電池研究中心負責人）、FENG WU（吳鋒，中國工程院院士，北京理工大學杰出教授），說明以上2 位作者在國際電池領(lǐng)域均擁有很高聲譽。此外，從表1 中可以看出中介中心性相對較高的作者是ZAⅠPⅠNG GUO（郭再萍，澳大利亞伍侖貢大學杰出教授），說明該作者在不同作者群落之間起到了“交通樞紐”的作用，具有很強的信息控制能力。從發(fā)文機構(gòu)來看，發(fā)文數(shù)量最多的機構(gòu)是中國科學院，此外，該單位的中介中心性也較高，說明該研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究實力較強，并且具有一定的國際影響力。從發(fā)文國家（地區(qū)）來看，發(fā)文數(shù)量遙遙領(lǐng)先的國家是中國，其次是美國、韓國、日本和德國，發(fā)文數(shù)量均超過1 000 篇，其中中介中心性較高的是韓國，說明韓國與其他國家在該領(lǐng)域的研發(fā)合作方面較多，形成了比較良好的國際合作關(guān)系。

表1 主要合作作者、機構(gòu)和地區(qū)（發(fā)文量前10 名）

2.3 文獻共被引結(jié)果與分析

如果2 篇文獻被同一篇文獻同時引用，則這2 篇文獻之間就形成了共被引關(guān)系，所有共被引的文獻之間相互聯(lián)系進而形成了共被引網(wǎng)絡(luò)，在共被引網(wǎng)絡(luò)中，被引頻次較高的文獻可看作在整個研究領(lǐng)域中十分關(guān)鍵的文獻，進而被認為是該研究領(lǐng)域的重要知識基礎(chǔ)。表2 是采用CiteSpace 軟件做出的鋰電池研究領(lǐng)域被引頻次超1 000 次的論文，通過閱讀表中展示的這些高被引論文，可對該領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)有進一步的了解，表中被引頻次（1 587 次）最高的論文是ARMAND 等于2008 年發(fā)表在《Nature》上的論文，指出現(xiàn)階段鋰離子電池發(fā)展方向是電極材料的納米化，未來鋰空氣電池和基于具有電化學活性的有機材料作為電極材料是使鋰離子電池可持續(xù)發(fā)展的有效解決方案。被引頻次（1 215 次）位居第二的是 GOODENOUG 等于 2010年在《Chem.mater.》上發(fā)表的論文，提出電動車用鋰電池面臨的挑戰(zhàn)主要有3 方面，即成本、安全性和高能量密度。解決成本的有效方式之一是提高鋰電池的服役壽命，而提高鋰電池的服役壽命可通過增加電極材料與集流體間的接觸這個手段來解決，如在集流體上長硅納米線、在電極材料上包覆碳或者導(dǎo)電聚合物等；解決安全問題的途徑是需要尋找具有大的電化學工作窗口、高LUMO（最低未占用分子軌道）的電解液，以及設(shè)計優(yōu)化電池封裝工藝；提高鋰電池能量密度的手段是尋找適宜的正負極材料。被引頻次（1 054 次）位居第三的是 BRUCE 等于 2008 年在《Angew.chem.int.ed》上發(fā)表的論文，可充電的鋰電池更高的功率在很大程度上取決于用作電極和電解質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)材料。如前文所述，2010 年以后是鋰電池研究的快速發(fā)展時期，以上重要文獻為鋰電池后續(xù)的發(fā)展提供了很好的研究思路。

表2 主要被引文獻（被引頻次大于1 000 次）

2.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)結(jié)果與分析

2.4.1 鋰離子電池領(lǐng)域研究熱點分析

關(guān)鍵詞是對文章內(nèi)容的高度凝練和概括，對論文關(guān)鍵詞進行分析可對文章主題窺探一二。統(tǒng)計一組文獻的關(guān)鍵詞兩兩之間在同一篇文獻中出現(xiàn)的頻次，便可形成一個由這些詞對關(guān)聯(lián)所組成的共詞網(wǎng)絡(luò)，在共詞網(wǎng)絡(luò)中找出出現(xiàn)頻次高且中介中心性較強的關(guān)鍵詞進行分析，便可了解該研究領(lǐng)域的關(guān)注熱點。圖2 是采用CiteSpace 軟件所作的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，圖中的圓圈代表關(guān)鍵詞，連線代表只要2 個關(guān)鍵詞在同一篇文獻中出現(xiàn)過，則兩者之間就會有一條連線。圓圈大小代表的是關(guān)鍵詞頻次，頻次越大，圓圈越大。此外，如果某個圓圈中的最外圈呈現(xiàn)紫色，說明該節(jié)點的中介中心性越強。從圖中可以看出關(guān)鍵詞頻次較高的關(guān)鍵詞依次是electrochemical performance（電化學性能）、anode material（負極材料）、electrode（電極）、energy storage（能量存儲）、high capacity（高容量）、cathode material（正極材料）、composite（復(fù)合物）、nanoparticle（納米顆粒）及nanocomposite（納米復(fù)合材料），其中中介中心性較高的依次是composite（復(fù)合物）、nanoparticle（納米顆粒）及high capacity（高容量）。由此說明鋰電池研究領(lǐng)域的熱點主要關(guān)注改善正負極材料，如通過復(fù)合化、納米化等方式，來不斷提高電池的電化學性能，這與現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對于鋰電池的應(yīng)用場景有更高的能量密度需求是密不可分的。

圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.4.2 鋰離子電池研究進展與前沿分析

采用CiteSpace 軟件做關(guān)鍵詞突顯（Brust，表示某個學科中研究興趣強度驟然增加的專業(yè)術(shù)語）分析，可以洞察某領(lǐng)域的研究前沿及發(fā)展趨勢。軟件在運算時，可以發(fā)現(xiàn)時間軸上頻次變化率高的詞匯，并將其從大量關(guān)題詞中提取出來，進行膨脹詞（Burst）檢測，其膨脹強度越高，代表研究領(lǐng)域發(fā)展越迅速。

筆者采用CiteSpace 軟件對圖2 中的關(guān)題詞進行Burst 檢測，膨脹強度排名前25 位的關(guān)題詞如圖3 所示。從圖3 中可以看出，2001—2013 年左右，膨脹度較高的關(guān)鍵詞分別是insertion（嵌入）、Sn（錫）、LiCoO（鈷酸鋰）、intercalation（插層）、LiMnO（錳酸鋰）、spinel（尖晶石），說明此階段研究人員更關(guān)注提升電極材料的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。如對于Sn（錫）的研究，是由于將Sn 元素復(fù)合到作為負極材料的石墨中可以提高石墨負極材料的比容量；對于LiCoO（鈷酸鋰）的研究是由于當電壓高于4.5 V時，會使得鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性變差，限制了其應(yīng)用；對于LiMnO（錳酸鋰）的研究是由于其存在Jahn-Teller 畸變和歧化反應(yīng)。2013—2017 年左右，膨脹度較高的關(guān)鍵詞分別是LiFePO（磷酸鐵鋰)、thin film（薄膜）、LiTiO（鈦酸鋰）等，說明此階段成本和服役壽命開始受到研究人員的更多關(guān)注。如研究正極材料LiFePO（磷酸鐵鋰）和負極材料LiTiO（鈦酸鋰）是由于二者都具有價格低廉、服役壽命超長的特點；研究thin film（薄膜）是由于其能夠使活性物質(zhì)與集流體保持良好的電化學接觸，也能提高電池的服役壽命，從而降低實際使用成本，這種發(fā)展趨勢與上述文獻（GOODENOUGH，2010，《Challenges for rechargeable li batteries》）中提出的觀點一致。最近幾年膨脹度較高的關(guān)鍵詞分別是reduced graphene oxide（還原氧化石墨烯）、metal-organic framework（金屬有機框架）、membrane（隔膜）等，可被認為是該領(lǐng)域的研究前沿。

圖3 膨脹強度排名前25 位的關(guān)鍵詞圖譜

3 結(jié)論與展望

筆者基于Web of Science 數(shù)據(jù)庫，采用CiteSpace軟件對2001—2020年發(fā)表的鋰離子電池相關(guān)文獻進行了系統(tǒng)的梳理與可視化探究，通過多角度、多層次的分析，探索領(lǐng)域發(fā)展脈絡(luò)和研究熱點，得出以下結(jié)論：①通過對發(fā)文時間及發(fā)文數(shù)量的計量分析可知鋰離子電池經(jīng)過多年的發(fā)展，研究已逐漸趨于成熟，尤其近5年來的研究成果具有較高的研究價值。②通過對國家、機構(gòu)及個人的合作網(wǎng)絡(luò)情況分析可知中國、美國、韓國、日本和德國等國家在鋰離子電池研究領(lǐng)域發(fā)文量較多，具有較大的影響力，其中韓國與其他國家在該領(lǐng)域的研發(fā)合作方面較多，形成了比較良好的國際合作關(guān)系；中國科學院的發(fā)文量及中介中心性高于國內(nèi)外其他研究機構(gòu)，說明該研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究實力較強，并且具有一定的國際影響力；德國明斯特大學的MARTⅠN WⅠNTER（馬丁·溫特）、北京理工大學的FENG WU（吳鋒）發(fā)文量最多，澳大利亞伍侖貢大學ZAⅠPⅠNG GUO（郭再萍）的中介中心性最強，以上3 位均是鋰離子電池領(lǐng)域重要研究學者。面向未來，中國應(yīng)鼓勵相關(guān)研究學者應(yīng)加強與該領(lǐng)域技術(shù)水平領(lǐng)先的國家之間的交流與合作。③通過對文獻共被引情況的分析可知ARMAND、GOODENOUGH、BRUCE 等人于2010年左右發(fā)表的文章是鋰離子電池領(lǐng)域的重要文獻，為其后續(xù)的發(fā)展提供了很好的研究思路。相關(guān)研究學者可重點關(guān)注這些文獻，以便快速掌握該領(lǐng)域的知識內(nèi)容。④通過對關(guān)鍵詞的共現(xiàn)及突顯情況分析可知鋰離子電池研究領(lǐng)域主要關(guān)注改善正極（cathode）、負極材料（anode），來不斷提高電池的電化學性能。近年來鋰離子電池領(lǐng)域的研究前沿主要是reduced graphene oxide（還原氧化石墨烯）、metal-organic framework（金屬有機框架）、membrane（隔膜）等方向。未來中國應(yīng)鼓勵相關(guān)研究學者應(yīng)繼續(xù)朝著此方向繼續(xù)開展深入研究，爭取在該領(lǐng)域取得更大的突破和進展，為中國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。