得克萨斯农工大学使用量子力学新方法改进锂金属电池

盖世汽车讯 据外媒报道，得克萨斯农工大学（Texas A&M University）Artie McFerrin化学工程系教授Perla Balbuena博士和Jorge Seminario博士开发出新方法，利用量子技术了解外部压力对锂金属电池的影响。更深入地了解锂离子在压力下的行为可以推进和改进锂金属电池制造工艺，从而开发更持久、更高效的电池技术。相关研究院已发表于期刊《Nature Energy》。

图片来源：期刊《Nature Energy》

Balbuena博士表示：“这项工作完美地展示了第一原理分析对宏观过程设计的影响。类似的方法可用于开发改进的化学和物理过程，影响化学工程、电气、机械、材料科学和生物领域。”

这项研究是在Battery500联盟的领导下进行的，该联盟是国家实验室和学术界之间的一个合作项目，致力于开发更可靠、高性能的汽车电池，并由太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）领导，旨在帮助实现美国能源部（Department of Energy）设定的目标。

锂离子电池彻底改变了移动电子产品，推动了纳米电子学和可以轻松放入口袋的紧凑型设备的发展。尽管锂离子电池用于智能手机、手表、玩具、笔记本电脑、电动汽车和电网，但仍然面临许多问题，其中最重要的问题之一是其能量密度受到电池组件的限制。

据Seminario介绍，锂离子电池的工作原理是依靠两个重要的电极将锂离子转化为中性物质，并将其能量以化学能的形式储存起来。此外，它们将这些中性物质转化回离子，从而能够将其能量以电能的形式传输。

第一个电极是阳极（负极），其中锂离子拥有最大能量。相反，第二个电极是阴极（正极），其中锂离子的能量最低。这种固有的能级差异解释了为什么锂离子在放电过程中会自发地从阳极迁移到阴极，并使电子能够在外部跟随，从而为它们想要供电的外部设备提供能量。

克服当前商业锂离子电池局限性的一个有希望的途径是探索替代材料。具体来说，用锂金属替代传统的石墨阳极。理论上，这种替代可以将阳极内的能量密度提高十倍。

然而，锂金属具有高反应性，需要创新的控制措施，例如向电池施加外部压力。 而且，虽然已知外部压力对电池性能有深远影响，但目前还没有相关研究报道，探讨外部压力与大型软包电池中锂电镀（利用电场将离子沉积在金属表面上）之间的关系，以提高整体性能。此外，当电池组装和循环时，其部件可能会发生体积变化，导致电池膨胀并影响电池性能和循环寿命。

此次研究重点是了解为什么压力有助于在阳极上实现近乎均匀的锂离子分布，从而防止形成枝晶（可能导致电池短路的微小针状结构）。通过采用理论计算技术，德克萨斯农工大学团队仔细分析了压力对锂金属阳极的精确影响。

“我们使用量子力学分析来评估锂离子从阴极迁移到阳极的轨迹，”Balbuena表示。“由于锂离子到达沉积的阳极表面会受到压力效应的影响，了解锂离子的轨迹使我们能够预测随后在阳极表面上的电沉积。”

这项研究的主要发现是，锂离子倾向于绕道前往压力较高或表面锂原子浓度较高的区域。这种行为是由于锂金属阳极产生的电场而产生的。

这一发现将使研究人员能够预测作为尖端应用组件的新型材料的行为。预测这些条件下离子行为的能力可以为锂金属电池的广泛使用打开大门，锂金属电池是用更便宜的基础设施和制造工艺开发的，并且具有更长的电池寿命和更多的功能。

“这些发现具有巨大影响，因为它们增加了第一性原理理论计算技术在具有特定特性的新材料设计领域的引入，”Seminario表示。“当我们努力实现更清洁、更高效的交通时，克服这些障碍对于电动汽车的普及至关重要。”