新一代电池的研究重点

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　　阿贡实验室与合作机构的研究人员指出了用于未来电池性能的’聚集体’（ Aggregates）。
　　跟踪最新科学文献是科学家工作中的的重要部分，科学家由此可以产生见解，从而在未来可能转化成重大进展。
　　该图展示的是电池电解质的聚集体。（图片由阿贡国家实验室提供）
　　2018年，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室电池化学家Lei Cheng偶然发现一些关于电池电解质的研究，这些研究描述了纳米聚集体结构的存在。这些是由数十到数百个带电粒子组成的团簇，称为离子，总直径大于一纳米。在此之前，大多数电池电解质研究都专注在更小的结构上。
　　阿贡高级化学家、杰出学者 Larry Curtiss表示：＂其中研究的一项重要目标是找到什么时候聚集体是有益的，什么时候是无益的。当聚集体产生不利影响时，需要从电解质中消除它们。＂
　　电解质是一种化学溶液，在电池运行中起到重要作用。电解质包含正极带电离子，可以在电池的正负极之间来回移动。
　　Cheng是联合储能研究中心（JCESR）的技术负责人，联合储能研究中心是一个能源创新中心（Energy Innovation Hub），由能源部发起，并由阿贡领导。联合储能研究中心将来自20个机构超过150名研究人员聚集在一起，机构包括了国家实验室、大学以及公司，设计并制造能够成为新一代电池的材料。这种电池有助于在汽车、电网甚至电动飞机中实现重大的能量转换。
　　Cheng和其他几位JCESR研究人员一致认为，聚集体值得深入研究。毕竟，研究团队充分意识到电解质的结构可以明显影响其特性，并最终对电池的性能起到很大的作用。举例来说，为了研发更好的锂离子电池，研究人员已经发现加入少量盐可以使其更稳定。
　　Cheng说：＂集聚体并不是一个大问题。科研人员不会过多讨论如何影响电解质的性质。这就是为什么我们决定启动研究项目进行进一步调查的原因。＂
　　自2018至2021年，研究中心的研究人员积累了足够多的研究成果，聚集体是一个非常重要的新兴话题，对于新一代电池性能具有潜在的重大影响。为了提醒电池科学界，研究人员在《American Chemical Society’s Energy Letters》发表了一篇关于聚集体研究的调查与分析。这篇文章汇集了研究中心研究人员与其他科学家的60项研究结果。
　　对电解质特性的影响
　　这篇文章探讨了聚集体是如何影响电解质特性产生独特影响的，其中包含稳定性以及离子传输。
　　稳定性会影响电池性能的许多关键方面。其中包含了寿命（充放电循环次数）、安全性、能量密度以及充放电率。例如，不稳定的电解质容易分解。这样或许会缩短电池的使用时间，并导致安全问题。
　　离子运输指的是离子通过电解质的速度。这种特性可以影响电池的充放电率。快速的离子运输可以使电动汽车充电更快速，同时也可以让电网规模的电池更快地放电。另一个潜在益处是改善由大分子聚合物制成的电解质性能。这种电解质比液体电解液更加安全。
　　电解质的聚集体对电池性能可能产生有利或不利的影响。因此，聚集体或许会减慢或加速离子运输。
　　经验丰富的阿贡化学家，同时也是撰写文章的其中一位作者Larry Curtiss表示：＂研究的一项重要目标是找出聚集体什么时候是有益的，什么时候是无益的。当聚集体产生了不利的影响时，或许应该从电解质中清除。＂
　　聚集体的一个已知有益影响出现在锂氧电池中。新一代电池的工作原理是通过电解质将氧气输送到阴极。聚集体与锂反应生成过氧化锂。与锂离子电池相比，锂氧电池具有较高的能量密度，有可能用于长途卡车和航空运输。Curtiss与其他研究人员通过模拟计算，认为聚集体可以改善氧气运输以及在阴极电解质表面反应。然而，目前尚不清楚为什么会出现这些现象。
　　Curtiss说：＂这是未来研究的一个领域。＂
　　聚集体的形成
　　聚集体的形成尚不完全明确。研究人员认为，这取决于电解质中离子和溶剂分子之间各种相互作用的强度。溶剂是能够溶解其他材料的物质。
　　Curtiss说：＂如果离子与溶剂分子反应弱，可能会得到更小的结构，例如，离子对。如果离子与离子之间的相互作用很强，可能就会得到聚集体。＂
　　Cheng说：＂聚集体形成的背后，没有一个完整且统一的理论。我们还需要知道调整哪些参数来操纵聚集体的形成与结构。＂
　　存在很多知识鸿沟与研究需求
　　到目前为止，大多数的聚集体研究专注在锂离子电池上。然而，锂离子电池所用的电解质，例如，碳酸亚乙酯（ethylene carbonate）、碳酸丙烯酯（propylene carbonate）等，与许多正在研发的新一代电池的电极材料不兼容。包括锂氧电池与锂硫电池。随着研究人员为这些先进电池研发的替代电解质，他们需要对聚集体的影响进行更多的调查研究。
　　此外，多数关于聚集体的研究只检测了其对电解质的影响。Curtiss说：＂关于聚集体是如何影响电极-电解质表面的研究是非常稀少的，但这对电池性能而言是至关重要的。我们不了解聚集体是如何影响界面上的离子运输的。我们也不清楚聚集体是否会导致电子从阴极漏出并破坏电解质。＂
　　Cheng说：＂一个巨大的知识鸿沟是聚集体如何使自己在表面聚集的，以及是如何影响电荷传输的。＂
　　Cheng还补充我们需要研发新的专门针对这些界面的实验表征工具。可能需要光谱工具，来记载材料的组成和结构。增强X射线技术，例如，阿贡先进光子源正在开发的X射线技术，该技术有助于检测出聚集体的存在，并记录其组成方式以及随时间推移发生的变化。
　　一个活跃的研究领域是改善计算与模拟方法，以精确描述聚集体与离子和分子之间复杂相互作用。机器学习（Machine learning）可以收集这些互动中的大量数据。
　　Cheng、Curtiss与其他联合储能研究中心的研究人员计划继续进行几项聚集体的研究。其中一项正在进行的研究领域涉及了不同离子与其他元素，以更好的了解聚集体的形成。阿贡研究人员计划继续与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）合作研究电极界面聚集体的影响。
　　有趣的是，聚集体的形成并不是电池电解质独有的。聚集体或可以在其他行业（例如，药业）的材料生产过程中发挥重要作用。通过对电池电解的聚集体的研究得到的见解也会对其他过程带来好处。
　　文章的其他作者来自：阿贡国家实验室Zhou Yu；加利福尼亚大学劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley/Lawrence Berkeley National Laboratory）Nitash Balsara；美国陆军研究实验室（U.S. Army Research Laboratory）Oleg Borodin；伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana Champaign）Andrew Gewirth；桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）Nathan Hahn；圣母大学（University of Notre Dame）Edward Maginn；加利福尼亚大学劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory/University of California, Berkeley）Kristin Persson；阿尔贡储能科学合作中心（Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science）Venkat Srinivasan；科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado, Boulder）Michael Toney；美国陆军研究实验室（U.S. Army Research Laboratory）Kang Xu；桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）Kevin Zavadil。
　　中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译
　　2022.5.13
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