據(jù)外媒報(bào)道，得克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）Artie McFerrin化學(xué)工程系教授Perla Balbuena博士和Jorge Seminario博士開發(fā)出新方法，利用量子技術(shù)了解外部壓力對(duì)鋰金屬電池的影響。更深入地了解鋰離子在壓力下的行為可以推進(jìn)和改進(jìn)鋰金屬電池制造工藝，從而開發(fā)更持久、更高效的電池技術(shù)。相關(guān)研究院已發(fā)表于期刊《Nature Energy》。

圖片來(lái)源：期刊《Nature Energy》

Balbuena博士表示：“這項(xiàng)工作完美地展示了第一原理分析對(duì)宏觀過程設(shè)計(jì)的影響。類似的方法可用于開發(fā)改進(jìn)的化學(xué)和物理過程，影響化學(xué)工程、電氣、機(jī)械、材料科學(xué)和生物領(lǐng)域?！?/p>

這項(xiàng)研究是在Battery500聯(lián)盟的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行的，該聯(lián)盟是國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界之間的一個(gè)合作項(xiàng)目，致力于開發(fā)更可靠、高性能的汽車電池，并由太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）領(lǐng)導(dǎo)，旨在幫助實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源部（Department of Energy）設(shè)定的目標(biāo)。

鋰離子電池徹底改變了移動(dòng)電子產(chǎn)品，推動(dòng)了納米電子學(xué)和可以輕松放入口袋的緊湊型設(shè)備的發(fā)展。盡管鋰離子電池用于智能手機(jī)、手表、玩具、筆記本電腦、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)，但仍然面臨許多問題，其中最重要的問題之一是其能量密度受到電池組件的限制。

據(jù)Seminario介紹，鋰離子電池的工作原理是依靠?jī)蓚€(gè)重要的電極將鋰離子轉(zhuǎn)化為中性物質(zhì)，并將其能量以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。此外，它們將這些中性物質(zhì)轉(zhuǎn)化回離子，從而能夠?qū)⑵淠芰恳噪娔艿男问絺鬏敗?/p>

第一個(gè)電極是陽(yáng)極（負(fù)極），其中鋰離子擁有最大能量。相反，第二個(gè)電極是陰極（正極），其中鋰離子的能量最低。這種固有的能級(jí)差異解釋了為什么鋰離子在放電過程中會(huì)自發(fā)地從陽(yáng)極遷移到陰極，并使電子能夠在外部跟隨，從而為它們想要供電的外部設(shè)備提供能量。

克服當(dāng)前商業(yè)鋰離子電池局限性的一個(gè)有希望的途徑是探索替代材料。具體來(lái)說(shuō)，用鋰金屬替代傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極。理論上，這種替代可以將陽(yáng)極內(nèi)的能量密度提高十倍。

然而，鋰金屬具有高反應(yīng)性，需要?jiǎng)?chuàng)新的控制措施，例如向電池施加外部壓力。 而且，雖然已知外部壓力對(duì)電池性能有深遠(yuǎn)影響，但目前還沒有相關(guān)研究報(bào)道，探討外部壓力與大型軟包電池中鋰電鍍（利用電場(chǎng)將離子沉積在金屬表面上）之間的關(guān)系，以提高整體性能。此外，當(dāng)電池組裝和循環(huán)時(shí)，其部件可能會(huì)發(fā)生體積變化，導(dǎo)致電池膨脹并影響電池性能和循環(huán)壽命。

此次研究重點(diǎn)是了解為什么壓力有助于在陽(yáng)極上實(shí)現(xiàn)近乎均勻的鋰離子分布，從而防止形成枝晶（可能導(dǎo)致電池短路的微小針狀結(jié)構(gòu)）。通過采用理論計(jì)算技術(shù)，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析了壓力對(duì)鋰金屬陽(yáng)極的精確影響。

“我們使用量子力學(xué)分析來(lái)評(píng)估鋰離子從陰極遷移到陽(yáng)極的軌跡，”Balbuena表示?！坝捎阡囯x子到達(dá)沉積的陽(yáng)極表面會(huì)受到壓力效應(yīng)的影響，了解鋰離子的軌跡使我們能夠預(yù)測(cè)隨后在陽(yáng)極表面上的電沉積?！?/p>

這項(xiàng)研究的主要發(fā)現(xiàn)是，鋰離子傾向于繞道前往壓力較高或表面鋰原子濃度較高的區(qū)域。這種行為是由于鋰金屬陽(yáng)極產(chǎn)生的電場(chǎng)而產(chǎn)生的。

這一發(fā)現(xiàn)將使研究人員能夠預(yù)測(cè)作為尖端應(yīng)用組件的新型材料的行為。預(yù)測(cè)這些條件下離子行為的能力可以為鋰金屬電池的廣泛使用打開大門，鋰金屬電池是用更便宜的基礎(chǔ)設(shè)施和制造工藝開發(fā)的，并且具有更長(zhǎng)的電池壽命和更多的功能。

“這些發(fā)現(xiàn)具有巨大影響，因?yàn)樗鼈冊(cè)黾恿说谝恍栽砝碚撚?jì)算技術(shù)在具有特定特性的新材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的引入，”Seminario表示?！爱?dāng)我們努力實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效的交通時(shí)，克服這些障礙對(duì)于電動(dòng)汽車的普及至關(guān)重要。”