得州农工大学利用量子方法预测锂金属电池的反应性
与锂离子电池相比,锂金属电池表现出更高的储能潜力,有助于延长电动汽车的续航里程。然而,这种电池的金属表面具有高反应性,人们对这些反应中的化学成分尚不明了。
(图片来源:得州农工大学)
据外媒报道,得州农工大学(Texas A&M University)Artie McFerrin化学工程系的Dr. Perla Balbuena教授等人利用量子化学方法,跟踪锂金属电池内部表面发生的特定反应。了解锂金属电池发生的反应并预测生成物,有助于降低反应性,提高可用度。
Balbuena表示:“研究人员需要了解所发生的反应类型、如何放缓反应速度、相关产物的成分和形态,以及离子和电子如何通过表面。了解这些关键问题,有助于未来实现锂金属电池商业化。”
制造锂金属电池时,负极上会形成一层薄膜,通常称为固态电解质界面(SEI)。这层薄膜由多种成分构成,是通过电解质沉积产生的。对于确保电池的峰值性能和延长电池使用寿命,SEI的化学构成具有重要意义。通过实验进行理论预测,可以从原子和电子层面揭示这一现象的细节。
在本项研究中,研究人员以电池内表面电解质反应产生的聚合物为目标。准确地描述具体的聚合物反应具有挑战性,但对优化SEI来说很有必要。研究人员从原子层面进行表面模拟,并求解精确的量子化学方程式,以绘制聚合物构成反应的时间演化图。
Balbuena解释:“这项研究的不同之处在于从微观层面开始描述,并让系统根据化学反应中的电子重新分布而发展。可以跟踪和监测反应的实验技术很多,但具有挑战性。通过此次模拟,跟踪特定的分子群,并分析电极表面自然发生的反应,研究人员有了新的认知,分离出了系统中负责重要化学事件的部分。”
这项研究的独特之处在于,利用计算工具来确定反应过程中的最小能量配置和分子排列,从头到尾地绘制反应图。研究人员发现,在SEI中聚合的物质可能对锂金属电池有益,因为这些物质有助于控制电池材料的反应程度。Balbuena表示,这有助于了解真实电极中发生的情况。
这些发现说明,使用计算工具,有助于制造更环保、寿命更长且生产成本更低的电池。Balbuena希望,这项研究中发现的方法能在未来几年发挥作用,推动电池领域向更绿色、更有效的方向发展。
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