使用量子方法预测下一代锂金属电池的反应性

与目前的锂离子电池相比，锂金属(Li-metal)电池在储存更多能量方面显示出巨大的潜力。例如，汽车中的锂金属电池可以行驶更多英里，而锂金属手机电池的电池寿命可能更长。然而，锂金属电池的金属表面具有高反应性，对这些反应的化学性质了解有限。

德州农工大学ArtieMcFerrin化学工程系教授PerlaBalbuena博士正在使用量子化学方法来追踪锂金属电池内部表面发生的特定反应。了解锂金属电池的反应并预测产品将通过降低其反应性来提高可用性。

这项研究最近发表在美国化学学会的ACSAppliedMaterials&Interfaces期刊上，由德克萨斯A&M化学系的研究生DachengKuai合着。

“我们需要了解发生了什么类型的反应，如何减缓反应，成分是什么，进化产物的形态是什么以及离子和电子如何通过表面移动，”巴尔布埃纳说。“了解这些关键问题将使我们能够在不久的将来将锂金属电池商业化。”

制造锂金属电池时，会在阳极上形成一层薄膜，通常称为固体电解质界面(SEI)。该薄膜由多种成分组成，由电解质分解产生。SEI的化学成分对于确保电池的最佳性能和延长其使用寿命至关重要。通过实验努力，理论预测可以在原子和电子水平上揭示这一现象的细节。

在这项研究中，研究人员针对一种聚合物，这种聚合物是由于电池内表面的电解质反应而产生的。精确定位这种特定的聚合物反应具有挑战性，但对于优化SEI是必要的。研究人员在原子水平上模拟了界面，并求解了精确的量子化学方程，以绘制聚合物形成反应的时间演化图。

“这项研究的不同之处在于从微观层面的描述开始，并让系统根据其在化学反应时的电子再分布而发展，”巴尔布埃纳说。“有许多实验技术可以跟踪和监测反应，但它们具有挑战性。通过这种模拟，我们可以获得新的见解。我们隔离了系统中负责重要化学事件的部分。我们关注那个特定的群体分子并分析电极表面自发发生的反应。”

这项研究的独特之处在于，使用的计算工具可以确定反应过程中分子的最小能量配置和排列，从而从头到尾绘制反应图。

研究人员发现，在SEI中聚合的物质可能对锂金属电池有益，因为它们可以帮助控制电池材料的反应性水平。

“我们对结果感到高兴，因为它们提供了使用真实电极时可能发生的情况的洞察力，”Balbuena说。

这些发现说明使用计算工具有助于制造对环境更友好、寿命更长且生产成本更低的电池。随着更好的化学物质的发展，Balbuena希望她研究中发现的方法将在未来几年有所帮助。

“这项研究可以推动电池朝着更环保、更高效的方向发展，”她说。“我知道这项工作在10年后会有所帮助，因为10年前，我们在锂离子电池方面做出了初步贡献，而我们的发现有助于今天成功技术的发展。这是一个不断改进的循环。”

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