近日，科學家采用量子方法模擬并預(yù)測了鋰金屬電池的反應(yīng)，將有助于研發(fā)壽命更長、成本更低的環(huán)保電池。

與目前的鋰離子電池相比，鋰金屬電池(LMBs)更具有儲能潛力。例如，鋰金屬電池可以延長電動汽車續(xù)航里程，增加手機的電池壽命。但鋰金屬電池的金屬表面具有很高的反應(yīng)活性，人們對這些化學反應(yīng)的了解仍然有限。

此次，得克薩斯農(nóng)工大學(TAMU)化學工程系教授Perla Balbuena等人采用量子化學方法，跟蹤鋰金屬電池內(nèi)表面發(fā)生的特定反應(yīng)。了解鋰金屬電池反應(yīng)并預(yù)測生成物，有助于通過降低反應(yīng)性來提高電池的可用性。相關(guān)研究成果最近發(fā)表在美國化學學會的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。

“我們需要了解所發(fā)生的反應(yīng)類型是什么，如何減緩反應(yīng)速度，產(chǎn)物的成分和形態(tài)是什么，以及離子和電子是如何通過表面的?！盉albuena教授說，“了解這些關(guān)鍵問題，將有助于在不久的將來實現(xiàn)鋰金屬電池的商業(yè)化。”

在制造鋰金屬電池時，電極上會形成一層薄膜，即固體電解質(zhì)中間相(SEI)。該薄膜由多種成分組成，因電解液分解形成。SEI的化學構(gòu)成對于確保電池性能和延長電池壽命很關(guān)鍵。

對此，研究人員瞄準了由電池內(nèi)表面的電解液反應(yīng)產(chǎn)生的一種聚合物。研究這一聚合物的反應(yīng)是具有挑戰(zhàn)性的，但對優(yōu)化SEI來說是必要的。研究人員在原子水平上進行了化學模擬，并求解了精確的量子化學方程，以繪制聚合物形成的化學反應(yīng)時間演化圖。

圖片來自論文

“這項研究的不同之處在于，它從微觀層面開始描述，讓系統(tǒng)根據(jù)化學反應(yīng)中電子的重新分布來演化?！盉albuena教授表示，“通過這種模擬，我們可以獲得新見解。我們將系統(tǒng)中負責重要化學反應(yīng)的部分分離出來，并跟蹤這組特定的分子，分析它們在電極表面自然發(fā)生的反應(yīng)?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)SEI中聚合的物質(zhì)可能有利于研發(fā)鋰金屬電池，因為它們可以幫助控制電池材料的反應(yīng)水平。

這些發(fā)現(xiàn)表明了采用量子方法可以有助于研發(fā)出更環(huán)保、更長壽命、生產(chǎn)成本更低的電池?！斑@項研究可以推動電池向更環(huán)保、更高效的方向發(fā)展。我知道這項工作在今后10年將有所幫助，因為10年前，我們對鋰離子電池做出了早期的貢獻。”Balbuena教授說道。