計算機模擬與試驗表明，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）
對于致力于制造下一代電池的科學家來說，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境下生產，才可以保持大量電荷。但一項新發現可能展示出了一種特殊型號的鋰離子電池確實是可以保有水分的。
在電池中，離子在兩個電極之間移動，以平衡在充放電過程中產生的電荷。電解液是導致這種情況發生的電池組成部分。阿貢高級電池化學家Zhengcheng（John Zhang）表示，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的研究人員根據早期的計算機模擬創建的不同電解液環境中水的詳細模型，研發出一種新型電池電解液，其含水量是傳統電解液的1000倍。
Zhang說：“我們一直認為水會給鋰離子電池帶來重大問題。然而，事實證明，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定地被電解液吸收。
為了支持實驗結果，并研究潛在的化學機制，阿貢計算機科學家Wei Jiang通過ALCF（Argonne Leadership Computing Facility）的Theta超級計算機對電極表面的電解質進行模擬試驗，以獲得水分子行為的圖片。ALCF是美國能源部科學用戶設施部門。
Jiang表示：“建模這個復雜的過程，涉及多個長度和時間尺度，需要有像Theta這樣的超級計算機的能力。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驗室實驗無法實現的洞見。”
即便是微量水也會降低電池性能。這是因為水分子之間緊密聯系，我們稱納米級“小水坑”，會與電解液本身發生反應，產生腐蝕性副產品，侵蝕電池。
然而，該團隊在模擬中發現一種新的電解質，由鋰鹽和離子液體組成，可以分離和結合水，隔離單個水分子。阿貢團隊的實驗工作表明，這種新型電解質的含水量是目前用于電動汽車和消費電池的電解質的千倍。
根據計算機模擬顯示，關鍵是水分子不會聚集成“小水坑”，這樣就不會失去活性。
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，單個水分子是非常穩定的。”
通過分析電解質基質中水分子的聚集，計算機模擬確定了電解質的耐水性和電解質成分的“鹽度”之間的定量關系。
Zhang表示：“在某種程度上，一種含鹽的電解液能夠保持水分。水分子在含鹽介質中的特定濃度比范圍內被不同離子捕獲，使其降低反應。”
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，制造環境更加友好。
用于驗證的電池制造在阿貢的電池分析、建模以及原型制作（CAMP）設備中進行。
以該研究為基礎的論文“An environmentally benign electrolyte for high energy lithium metal batteries”于2021年11月19日發表，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部資助。ALCF的計算速度通過能源部ASCR的領導計算挑戰（Leadership Computing Challenge）授予。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.6.14