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。