Credit: CC0公共领域锂金属(Li-metal)电池显示出比目前的锂离子电池更大的能量储存潜力。例如，汽车中的锂金属电池可以行驶更长的里程，手机中的锂金属电池可以有更长的电池寿命。然而，锂金属电池的金属表面具有很高的活性，人们对这些反应的化学性质了解有限。得克萨斯州A&M大学阿蒂·麦克费林化学工程系教授佩拉·巴尔布埃纳博士正在使用量子化学方法来跟踪锂金属电池内部表面发生的特定反应。了解锂金属电池的反应和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ACS应用材料和界面杂志上，由德克萨斯州农工大学化学系的研究生大成·快(音译)合著。
“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穿过表面，”巴尔布埃纳说。"了解这些关键问题将有助于我们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)。这种薄膜由多种成分组成，由电解质分解产生。SEI的化学组成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，研究人员的目标是一种聚合物，这种聚合物是由于电池内表面的电解质反应而产生的。确定这种特定的聚合物反应具有挑战性，但对优化SEI是必要的。研究人员在原子水平上模拟了界面，并解决了精确的量子化学方程，以绘制聚合物形成反应的时间演变。
“这项研究的不同之处在于从微观层面的描述开始，让系统根据化学反应的电子再分布进行进化，”巴尔布埃纳说。“有许多实验技术可以跟踪和监测反应，但它们很有挑战性。通过这种模拟，我们可以获得新的见解。我们分离出系统中负责重要化学事件的部分。我们跟踪这一组特定的分子，分析在电极表面自发发生的反应
这项研究的独特之处在于，所使用的计算工具可以确定反应过程中的最小能量配置和分子排列，从而从开始到结束绘制反应图。
研究人员发现，在SEI中聚合的物种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水平。
“我们对结果感到高兴，因为它们让我们深入了解了使用真正的电极会发生什么，”巴尔布埃纳说。
这些发现说明了计算工具的使用有助于创造对环境更友好、寿命更长、生产成本更低的电池。随着更好的化学物质的发展，巴尔布埃纳希望在她的研究中发现的方法将有助于未来几年。
“这项研究可以成为电池向更环保、更高效方向发展的驱动力，”她说。“我知道这项工作将在10年后有所帮助，因为10年前，我们在锂离子电池方面做出了初步贡献，我们的发现有助于当今成功技术的发展。这是一个不断改进的循环。”
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