與目前的鋰離子電池相比，鋰金屬(Li-metal)電池在儲存更多能量方面顯示出巨大的潛力。例如，汽車中的鋰金屬電池可以行駛更多英里，而鋰金屬手機電池的電池壽命可能更長。然而，鋰金屬電池的金屬表面具有高反應性，對這些反應的化學性質(zhì)了解有限。

德州農(nóng)工大學ArtieMcFerrin化學工程系教授PerlaBalbuena博士正在使用量子化學方法來追蹤鋰金屬電池內(nèi)部表面發(fā)生的特定反應。了解鋰金屬電池的反應并預測產(chǎn)品將通過降低其反應性來提高可用性。

這項研究最近發(fā)表在美國化學學會的ACSAppliedMaterials&Interfaces期刊上，由德克薩斯A&M化學系的研究生DachengKuai合著。

“我們需要了解發(fā)生了什么類型的反應，如何減緩反應，成分是什么，進化產(chǎn)物的形態(tài)是什么以及離子和電子如何通過表面移動，”巴爾布埃納說。“了解這些關(guān)鍵問題將使我們能夠在不久的將來將鋰金屬電池商業(yè)化。”

制造鋰金屬電池時，會在陽極上形成一層薄膜，通常稱為固體電解質(zhì)界面(SEI)。該薄膜由多種成分組成，由電解質(zhì)分解產(chǎn)生。SEI的化學成分對于確保電池的最佳性能和延長其使用壽命至關(guān)重要。通過實驗努力，理論預測可以在原子和電子水平上揭示這一現(xiàn)象的細節(jié)。

在這項研究中，研究人員針對一種聚合物，這種聚合物是由于電池內(nèi)表面的電解質(zhì)反應而產(chǎn)生的。精確定位這種特定的聚合物反應具有挑戰(zhàn)性，但對于優(yōu)化SEI是必要的。研究人員在原子水平上模擬了界面，并求解了精確的量子化學方程，以繪制聚合物形成反應的時間演化圖。

“這項研究的不同之處在于從微觀層面的描述開始，并讓系統(tǒng)根據(jù)其在化學反應時的電子再分布而發(fā)展，”巴爾布埃納說。“有許多實驗技術(shù)可以跟蹤和監(jiān)測反應，但它們具有挑戰(zhàn)性。通過這種模擬，我們可以獲得新的見解。我們隔離了系統(tǒng)中負責重要化學事件的部分。我們關(guān)注那個特定的群體分子并分析電極表面自發(fā)發(fā)生的反應。”

這項研究的獨特之處在于，使用的計算工具可以確定反應過程中分子的最小能量配置和排列，從而從頭到尾繪制反應圖。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在SEI中聚合的物質(zhì)可能對鋰金屬電池有益，因為它們可以幫助控制電池材料的反應性水平。

“我們對結(jié)果感到高興，因為它們提供了使用真實電極時可能發(fā)生的情況的洞察力，”Balbuena說。

這些發(fā)現(xiàn)說明使用計算工具有助于制造對環(huán)境更友好、壽命更長且生產(chǎn)成本更低的電池。隨著更好的化學物質(zhì)的發(fā)展，Balbuena希望她研究中發(fā)現(xiàn)的方法將在未來幾年有所幫助。

“這項研究可以推動電池朝著更環(huán)保、更高效的方向發(fā)展，”她說。“我知道這項工作在10年后會有所幫助，因為10年前，我們在鋰離子電池方面做出了初步貢獻，而我們的發(fā)現(xiàn)有助于今天成功技術(shù)的發(fā)展。這是一個不斷改進的循環(huán)。”

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