計(jì)算機(jī)模擬與試驗(yàn)表明，一種新型鋰離子電池電解液可以含有更多的水。（照片由Shutterstock/Blackboard提供）
對(duì)于致力于制造下一代電池的科學(xué)家來(lái)說，水通常都是勁敵。例如，鋰離子電池通常需要在極其干燥的環(huán)境下生產(chǎn)，才可以保持大量電荷。但一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能展示出了一種特殊型號(hào)的鋰離子電池確實(shí)是可以保有水分的。
在電池中，離子在兩個(gè)電極之間移動(dòng)，以平衡在充放電過程中產(chǎn)生的電荷。電解液是導(dǎo)致這種情況發(fā)生的電池組成部分。阿貢高級(jí)電池化學(xué)家Zhengcheng（John Zhang）表示，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)早期的計(jì)算機(jī)模擬創(chuàng)建的不同電解液環(huán)境中水的詳細(xì)模型，研發(fā)出一種新型電池電解液，其含水量是傳統(tǒng)電解液的1000倍。
Zhang說：“我們一直認(rèn)為水會(huì)給鋰離子電池帶來(lái)重大問題。然而，事實(shí)證明，我們新研制電解液的含水量比之前所知的電解液的含水量要多得多，還有助于降低電池制造成本。”
由于鋰離子電池是“干電池”，只能含有微量水分，這需要特殊的制造設(shè)備。然而，通過使用由兩種鹽（鋰鹽和離子液體）組成的電解液，使更多的水分子能夠穩(wěn)定地被電解液吸收。
為了支持實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并研究潛在的化學(xué)機(jī)制，阿貢計(jì)算機(jī)科學(xué)家Wei Jiang通過ALCF（Argonne Leadership Computing Facility）的Theta超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)電極表面的電解質(zhì)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以獲得水分子行為的圖片。ALCF是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施部門。
Jiang表示：“建模這個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，需要有像Theta這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。模擬讓我們從原子尺度上了解了水是如何影響電池性能的，為我們提供了僅靠實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的洞見。”
即便是微量水也會(huì)降低電池性能。這是因?yàn)樗肿又g緊密聯(lián)系，我們稱納米級(jí)“小水坑”，會(huì)與電解液本身發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕性副產(chǎn)品，侵蝕電池。
然而，該團(tuán)隊(duì)在模擬中發(fā)現(xiàn)一種新的電解質(zhì)，由鋰鹽和離子液體組成，可以分離和結(jié)合水，隔離單個(gè)水分子。阿貢團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)工作表明，這種新型電解質(zhì)的含水量是目前用于電動(dòng)汽車和消費(fèi)電池的電解質(zhì)的千倍。
根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬顯示，關(guān)鍵是水分子不會(huì)聚集成“小水坑”，這樣就不會(huì)失去活性。
Jiang表示：“即使在電極表面，這是易受水聚集，我們的原子模擬顯示，單個(gè)水分子是非常穩(wěn)定的。”
通過分析電解質(zhì)基質(zhì)中水分子的聚集，計(jì)算機(jī)模擬確定了電解質(zhì)的耐水性和電解質(zhì)成分的“鹽度”之間的定量關(guān)系。
Zhang表示：“在某種程度上，一種含鹽的電解液能夠保持水分。水分子在含鹽介質(zhì)中的特定濃度比范圍內(nèi)被不同離子捕獲，使其降低反應(yīng)。”
Zhang表示，該研究為電池制造商在電池制造過程中加入水提供了一條潛在途徑，從而降低成本，制造環(huán)境更加友好。
用于驗(yàn)證的電池制造在阿貢的電池分析、建模以及原型制作（CAMP）設(shè)備中進(jìn)行。
以該研究為基礎(chǔ)的論文“An environmentally benign electrolyte for high energy lithium metal batteries”于2021年11月19日發(fā)表，刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上。
除了Zhang和Jiang，論文的其他作者還有阿貢的Qian Liu與Zhenzhen Yang。
該研究由能源部能源效率和可再生能源辦公室汽車技術(shù)部資助。ALCF的計(jì)算速度通過能源部ASCR的領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算挑戰(zhàn)（Leadership Computing Challenge）授予。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2022.6.14