基于Web of Science的锂离子电池研究前沿可视化分析

陈 盼，赵志娟

（浙江省科技项目管理服务中心，浙江 杭州 310006）

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳的排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，中国由此提出碳达峰和碳中和目标。为了实现这一目标，储能产业将会发挥更大作用，而锂离子电池作为一种很有发展前景的储能技术，由于其具有高电压、高能量密度、高安全性、低自放电率等优点，逐渐被广泛应用于便携式电子设备、新能源电动汽车、储能电站等领域，目前已成为全球关注的焦点。同时也有越来越多的科研人员涉足此领域，开展相关的研究，以期在该领域中能够找到突破点，推动该领域的深度发展。在实际科研工作中，研究人员常常需要面对海量的文献，如何从中快速了解该领域的发展现状、研究热点以及未来的研究趋势，在如今快速发展的社会中显得尤为重要。

CiteSpace 作为一款优秀的文献计量学软件，它能够将文献之间的关系以科学知识图谱的方式可视化地展现在操作者面前，既能帮助操作者梳理过去的研究轨迹，也能使他们对未来的研究前景有一个大概的认识。鉴于此，笔者基于Web of Science（WOS）核心合集数据库，采用CiteSpace 软件对锂离子电池领域的相关文献绘制出知识图谱，以直观的形式分析该领域发展现状、知识基础、研究热点及研究前沿，以期为研究人员及管理人员在了解该领域时提供一定的借鉴和参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

笔者以Web of Science 核心合集数据库为基础，以“lithium-ion batter*”为标题，文献类型选择“article”“review”，语种选择“English”，时间设置为2001—2020 年，进行高级检索，共检索出23 195 篇文献，作为研究的数据来源。

1.2 研究方法

笔者首先采用Web of Science 自带的分析检索结果功能，对发文时间和发文量进行了研究。此外，采用Citespace 软件（版本Citespace 5.7.R2，64 bit）对锂离子电池的研究作者、机构、国家的合作网络、文献共被引及关键词共现等进行可视化分析。CiteSpace 是美国德雷塞尔大学陈超美团队开发的可视化文献分析软件，该软件生成的图谱已成功应用于各种领域的文献计量学研究，它能以知识化图谱的方式直观展示研究前沿领域的演进历程及未来发展趋势。

2 数据结果与分析

2.1 发文时间和发文量结果与分析

某一学术领域在一段时间内的文献发表数量变化可在一定程度上反映出该领域的研究现状、研究热度及研究趋势。从WOS 数据库中导出锂离子电池领域发表的国内外文章，其发文数量随时间的变化如图1所示。从图中可以看出，2001—2010 年期间，发文数量增长缓慢，年增长幅度也不大，均低于20 年来的平均数，说明在此期间锂离子电池基础研究不够活跃；2010—2014 年期间，发文数量增长迅速，很可能是由于国内外开始对发展新能源汽车重视起来的缘故，而锂离子电池重要应用场景之一便是新能源汽车；2014—2020 年期间，发文数量平稳增长，说明经过前期的积累，锂离子电池研究逐渐趋于成熟，具有较高的研究价值。

图1 WOS 数据库锂离子电池研究的发文数量情况

2.2 发文作者、机构和地区合作网络结果与分析

CiteSpace 软件可对发文作者、机构以及地区进行合作网络图谱的绘制，从中可以解析出锂离子电池研究领域不同水平的合作关系，进而了解该领域内最具影响力的个人、机构和国家。

表1 展示了发文量排名前10 名的作者、研究机构及国家。从发文作者来看，锂离子电池研究领域发文数量位居前 2 位的作者是MARTⅠN WⅠNTER（马丁·温特，德国工程科学院院士，德国明斯特大学材料科学、能源和电化学电池研究中心负责人）、FENG WU（吴锋，中国工程院院士，北京理工大学杰出教授），说明以上2 位作者在国际电池领域均拥有很高声誉。此外，从表1 中可以看出中介中心性相对较高的作者是ZAⅠPⅠNG GUO（郭再萍，澳大利亚伍仑贡大学杰出教授），说明该作者在不同作者群落之间起到了“交通枢纽”的作用，具有很强的信息控制能力。从发文机构来看，发文数量最多的机构是中国科学院，此外，该单位的中介中心性也较高，说明该研究机构在该领域的研究实力较强，并且具有一定的国际影响力。从发文国家（地区）来看，发文数量遥遥领先的国家是中国，其次是美国、韩国、日本和德国，发文数量均超过1 000 篇，其中中介中心性较高的是韩国，说明韩国与其他国家在该领域的研发合作方面较多，形成了比较良好的国际合作关系。

表1 主要合作作者、机构和地区（发文量前10 名）

2.3 文献共被引结果与分析

如果2 篇文献被同一篇文献同时引用，则这2 篇文献之间就形成了共被引关系，所有共被引的文献之间相互联系进而形成了共被引网络，在共被引网络中，被引频次较高的文献可看作在整个研究领域中十分关键的文献，进而被认为是该研究领域的重要知识基础。表2 是采用CiteSpace 软件做出的锂电池研究领域被引频次超1 000 次的论文，通过阅读表中展示的这些高被引论文，可对该领域的发展脉络有进一步的了解，表中被引频次（1 587 次）最高的论文是ARMAND 等于2008 年发表在《Nature》上的论文，指出现阶段锂离子电池发展方向是电极材料的纳米化，未来锂空气电池和基于具有电化学活性的有机材料作为电极材料是使锂离子电池可持续发展的有效解决方案。被引频次（1 215 次）位居第二的是 GOODENOUG 等于 2010年在《Chem.mater.》上发表的论文，提出电动车用锂电池面临的挑战主要有3 方面，即成本、安全性和高能量密度。解决成本的有效方式之一是提高锂电池的服役寿命，而提高锂电池的服役寿命可通过增加电极材料与集流体间的接触这个手段来解决，如在集流体上长硅纳米线、在电极材料上包覆碳或者导电聚合物等；解决安全问题的途径是需要寻找具有大的电化学工作窗口、高LUMO（最低未占用分子轨道）的电解液，以及设计优化电池封装工艺；提高锂电池能量密度的手段是寻找适宜的正负极材料。被引频次（1 054 次）位居第三的是 BRUCE 等于 2008 年在《Angew.chem.int.ed》上发表的论文，可充电的锂电池更高的功率在很大程度上取决于用作电极和电解质的纳米结构材料。如前文所述，2010 年以后是锂电池研究的快速发展时期，以上重要文献为锂电池后续的发展提供了很好的研究思路。

表2 主要被引文献（被引频次大于1 000 次）

2.4 关键词共现结果与分析

2.4.1 锂离子电池领域研究热点分析

关键词是对文章内容的高度凝练和概括，对论文关键词进行分析可对文章主题窥探一二。统计一组文献的关键词两两之间在同一篇文献中出现的频次，便可形成一个由这些词对关联所组成的共词网络，在共词网络中找出出现频次高且中介中心性较强的关键词进行分析，便可了解该研究领域的关注热点。图2 是采用CiteSpace 软件所作的关键词共现图谱，图中的圆圈代表关键词，连线代表只要2 个关键词在同一篇文献中出现过，则两者之间就会有一条连线。圆圈大小代表的是关键词频次，频次越大，圆圈越大。此外，如果某个圆圈中的最外圈呈现紫色，说明该节点的中介中心性越强。从图中可以看出关键词频次较高的关键词依次是electrochemical performance（电化学性能）、anode material（负极材料）、electrode（电极）、energy storage（能量存储）、high capacity（高容量）、cathode material（正极材料）、composite（复合物）、nanoparticle（纳米颗粒）及nanocomposite（纳米复合材料），其中中介中心性较高的依次是composite（复合物）、nanoparticle（纳米颗粒）及high capacity（高容量）。由此说明锂电池研究领域的热点主要关注改善正负极材料，如通过复合化、纳米化等方式，来不断提高电池的电化学性能，这与现代社会的发展，人们对于锂电池的应用场景有更高的能量密度需求是密不可分的。

图2 关键词共现图谱

2.4.2 锂离子电池研究进展与前沿分析

采用CiteSpace 软件做关键词突显（Brust，表示某个学科中研究兴趣强度骤然增加的专业术语）分析，可以洞察某领域的研究前沿及发展趋势。软件在运算时，可以发现时间轴上频次变化率高的词汇，并将其从大量关题词中提取出来，进行膨胀词（Burst）检测，其膨胀强度越高，代表研究领域发展越迅速。

笔者采用CiteSpace 软件对图2 中的关题词进行Burst 检测，膨胀强度排名前25 位的关题词如图3 所示。从图3 中可以看出，2001—2013 年左右，膨胀度较高的关键词分别是insertion（嵌入）、Sn（锡）、LiCoO（钴酸锂）、intercalation（插层）、LiMnO（锰酸锂）、spinel（尖晶石），说明此阶段研究人员更关注提升电极材料的能量密度和循环稳定性。如对于Sn（锡）的研究，是由于将Sn 元素复合到作为负极材料的石墨中可以提高石墨负极材料的比容量；对于LiCoO（钴酸锂）的研究是由于当电压高于4.5 V时，会使得锂离子电池循环稳定性变差，限制了其应用；对于LiMnO（锰酸锂）的研究是由于其存在Jahn-Teller 畸变和歧化反应。2013—2017 年左右，膨胀度较高的关键词分别是LiFePO（磷酸铁锂)、thin film（薄膜）、LiTiO（钛酸锂）等，说明此阶段成本和服役寿命开始受到研究人员的更多关注。如研究正极材料LiFePO（磷酸铁锂）和负极材料LiTiO（钛酸锂）是由于二者都具有价格低廉、服役寿命超长的特点；研究thin film（薄膜）是由于其能够使活性物质与集流体保持良好的电化学接触，也能提高电池的服役寿命，从而降低实际使用成本，这种发展趋势与上述文献（GOODENOUGH，2010，《Challenges for rechargeable li batteries》）中提出的观点一致。最近几年膨胀度较高的关键词分别是reduced graphene oxide（还原氧化石墨烯）、metal-organic framework（金属有机框架）、membrane（隔膜）等，可被认为是该领域的研究前沿。

图3 膨胀强度排名前25 位的关键词图谱

3 结论与展望

笔者基于Web of Science 数据库，采用CiteSpace软件对2001—2020年发表的锂离子电池相关文献进行了系统的梳理与可视化探究，通过多角度、多层次的分析，探索领域发展脉络和研究热点，得出以下结论：①通过对发文时间及发文数量的计量分析可知锂离子电池经过多年的发展，研究已逐渐趋于成熟，尤其近5年来的研究成果具有较高的研究价值。②通过对国家、机构及个人的合作网络情况分析可知中国、美国、韩国、日本和德国等国家在锂离子电池研究领域发文量较多，具有较大的影响力，其中韩国与其他国家在该领域的研发合作方面较多，形成了比较良好的国际合作关系；中国科学院的发文量及中介中心性高于国内外其他研究机构，说明该研究机构在该领域的研究实力较强，并且具有一定的国际影响力；德国明斯特大学的MARTⅠN WⅠNTER（马丁·温特）、北京理工大学的FENG WU（吴锋）发文量最多，澳大利亚伍仑贡大学ZAⅠPⅠNG GUO（郭再萍）的中介中心性最强，以上3 位均是锂离子电池领域重要研究学者。面向未来，中国应鼓励相关研究学者应加强与该领域技术水平领先的国家之间的交流与合作。③通过对文献共被引情况的分析可知ARMAND、GOODENOUGH、BRUCE 等人于2010年左右发表的文章是锂离子电池领域的重要文献，为其后续的发展提供了很好的研究思路。相关研究学者可重点关注这些文献，以便快速掌握该领域的知识内容。④通过对关键词的共现及突显情况分析可知锂离子电池研究领域主要关注改善正极（cathode）、负极材料（anode），来不断提高电池的电化学性能。近年来锂离子电池领域的研究前沿主要是reduced graphene oxide（还原氧化石墨烯）、metal-organic framework（金属有机框架）、membrane（隔膜）等方向。未来中国应鼓励相关研究学者应继续朝着此方向继续开展深入研究，争取在该领域取得更大的突破和进展，为中国的锂离子电池产业发展打下坚实基础。