科学家采用量子方法预测锂金属电池反应，有助于改进环保电池

近日，科学家采用量子方法模拟并预测了锂金属电池的反应，将有助于研发寿命更长、成本更低的环保电池。

与目前的锂离子电池相比，锂金属电池(LMBs)更具有储能潜力。例如，锂金属电池可以延长电动汽车续航里程，增加手机的电池寿命。但锂金属电池的金属表面具有很高的反应活性，人们对这些化学反应的了解仍然有限。

此次，得克萨斯农工大学(TAMU)化学工程系教授Perla Balbuena等人采用量子化学方法，跟踪锂金属电池内表面发生的特定反应。了解锂金属电池反应并预测生成物，有助于通过降低反应性来提高电池的可用性。相关研究成果最近发表在美国化学学会的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。

“我们需要了解所发生的反应类型是什么，如何减缓反应速度，产物的成分和形态是什么，以及离子和电子是如何通过表面的。”Balbuena教授说，“了解这些关键问题，将有助于在不久的将来实现锂金属电池的商业化。”

在制造锂金属电池时，电极上会形成一层薄膜，即固体电解质中间相(SEI)。该薄膜由多种成分组成，因电解液分解形成。SEI的化学构成对于确保电池性能和延长电池寿命很关键。

对此，研究人员瞄准了由电池内表面的电解液反应产生的一种聚合物。研究这一聚合物的反应是具有挑战性的，但对优化SEI来说是必要的。研究人员在原子水平上进行了化学模拟，并求解了精确的量子化学方程，以绘制聚合物形成的化学反应时间演化图。

图片来自论文

“这项研究的不同之处在于，它从微观层面开始描述，让系统根据化学反应中电子的重新分布来演化。”Balbuena教授表示，“通过这种模拟，我们可以获得新见解。我们将系统中负责重要化学反应的部分分离出来，并跟踪这组特定的分子，分析它们在电极表面自然发生的反应。”

研究人员发现SEI中聚合的物质可能有利于研发锂金属电池，因为它们可以帮助控制电池材料的反应水平。

这些发现表明了采用量子方法可以有助于研发出更环保、更长寿命、生产成本更低的电池。“这项研究可以推动电池向更环保、更高效的方向发展。我知道这项工作在今后10年将有所帮助，因为10年前，我们对锂离子电池做出了早期的贡献。”Balbuena教授说道。