超級計算機推動了下一代電池發展的基礎研究

石墨烯氧化物改性樣品的鋰沉積機制原理圖（A-F），鋰離子吸附在親鋰的GOn塗層上，並通過控制鋰離子在金屬表面的輸送來得到更加均勻的鋰沉積層

隨著可再生能源在全球成長為一種能量來源，一個關鍵的問題卻依然沒有被解決：大規模，穩定，高效且經濟實惠的電池依然沒有出現。

鋰離子電池已經在消費電子產品上取得了成功，但電動汽車、風力渦輪機或智能電網都需要擁有更大能量的電池。處於發展領先地位的是鋰金屬電池，與鋰離子基數不同的是，它的電極是鋰金屬電極。

鋰金屬電池在1912年第一次出現，它擁有巨大的能量存儲空間卻很便宜，但是它卻存在致命的缺點：鋰枝晶-這是鋰原子組成的尖銳的針狀物，它可以刺破電池並導致電池短路甚至事故。

然而，技術的進步支持研究者們和公司持續努力去解決這個問題。

來自芝加哥伊利諾伊大學的機械和工業工程副教授Reza Shahbazian-Yassar（UIC）說：「鋰金屬電池是最理想的電池，因為它們提供了極高的能量密度」

「然而。由於異構鋰金屬電鍍會導致電池在循環後期產生鋰枝晶，所以我們還沒有生產出有機電解液的商業化鋰金屬電池」

最近，包括UIC的Shahbazian-Yassar和德克薩斯A＆M大學的Perla Balbuena在內的研究團隊一直在尋找解決方案，他們希望通過應用超級計算機的力量來了解樹枝晶形成過程中的核心化學和物理過程，從而去設計新的材料來減輕鋰枝晶的生長。

研究成果發表在2018年二月刊《先進功能材料》，研究者表示他們通過眼界提出了一種可以長期解決鋰枝晶問題的新材料。

德克薩斯A&M大學的化學工程教授、論文的作者之一Texas說：「我們的想法是開發出一種可以保護鋰金屬並且可以使得鋰離子沉積的更加均勻的塗層材料」

這些研究結果由德克薩斯高級計算中心（TACC）的Stampede和Lonestar超級計算機（世界上最強大的計算中心）提供技術支持。

離子彈球盤

在這篇論文中，研究人員描述了一種可以噴塗在玻璃纖維分離器上的石墨烯氧化物納米板，隨後他們被插在電池中。這種材料允許鋰離子通過，但是可以減緩並控制離子和來自表面電子結合成中性原子的速度。沉積的原子不是形成鋰枝晶而是在薄片的底部形成光滑的平面。

研究人員使用計算機模型和模擬結合物理實驗和顯微成像來揭示材料如何以及為何有效控制鋰沉積。他們表明，鋰離子在石墨烯氧化物的表面上形成薄膜，然後通過缺陷位點（本質上是材料層的間隙）擴散，然後沉積在氧化石墨烯的底層下面。這種材料的作用類似於彈珠遊戲中的掛鉤，在下落時減速並矯正金屬球方向。

Balbuena解釋說：「我們的貢獻是利用分子動力學模擬按照電子和原子的軌跡實時觀察原子級別的情況。我們感興趣的是闡明在沉積最後階段鋰離子是如何在系統中擴散並成為原子的原理」

研究人員使用TACC超級計算機來模擬用於鋰金屬電池的新材料的行為。圖中：（a）低鋰含量的硫化物/石墨烯混合物，（b）鋰-硫相互作用的近距離觀察，（c）低鋰含量下鋰硫的電荷分布。圖片來源：Saul Perez Beltran, Perla B. Balbuena

石墨烯-氧化物電池顯示了更強的循環壽命，顯示穩定性達到160個周期，而未經修飾的電池在120次循環後很快就失去了效率。這種氧化物可以通過噴槍簡單實惠的製得。

研究的另一關鍵問題是如何在納米片上噴塗噴霧。Balbuena說：「當你做實驗的時候，微觀層面上塗層的位置並不清楚。因為它非常薄，所以精確定位這些塗層很重要。」

他們的計算機模型探討了氧化物平行或垂直於集流體那種情況更加有利。他們發現兩種方法都可以有效，但如果平行沉積，材料需要一定數量的缺陷，以便離子可以通過。

Balbuena說：「模擬給了我們的合作者研究通過塗層的離子轉移機理的想法，根據我們觀察到的現象，未來可能研究不同塗層厚度和化學成分將帶來的影響。」

探索陰極替代材料

在2018年2月發表在《能源與材料》上的獨立研究中，Balbuena和研究生Saul Perez Beltran描述了一種設計使用石墨烯片改善另一種潛在的高容量存儲系統鋰硫電池的碳硫陰極的性能的電池設計。

除了硫的天然存儲量大，無毒性和低成本外，硫基陰極在理論上能夠提供比常規鋰離子電池中常用的鋰鈷氧化物陰極高10倍的存儲。

然而，電池中的化學反應導致形成含有硫原子鏈的化合物鋰多硫化物。長鏈多硫化物可溶於液體電解質並遷移到鋰金屬陽極並發生分解，這是不希望產生的結果。研究人員研究了陰極微觀結構如何影響這種化學反應。

他們通過製造一種含硫/石墨烯的複合材料來解決不受控制的多硫化物形成的問題，避免了可溶解的長鏈聚硫醚的形成。他們發現石墨烯片使得陰極更加穩定並提高其離子捕獲能力。

Balbuena的研究得到了美國能源部的支持，作為電池材料研究和電池500個孵化項目的一部分，這兩個項目目的是創造更小，更安全，更輕，更便宜的電池組，使電動汽車更加實惠。

Stampede項目及其後續的Stampede2得到美國國家科學基金會的資助，並讓成千上萬的來自全國各地的研究人員去探索那些我們無法解決的問題。

Balbuena說：「這是一項計算量十分宏大的項目，所以我們需要擁有高性能的計算機來實行。我們是TACC資源的重要用戶，我們非常感謝德克薩斯大學允許我們使用這些設施。」

對Balbuena來說：超級計算機推動下一代電池發展的基礎研究與她的研究興趣完美鍥合。

「這項研究是化學，物理學和工程學的結合，所有這些都是通過計算實現的，這種理論顯微鏡可以通過理論將事物形象化」

文章來自phys網站，原文題目為Overcoming a battery"s fatal flaw，由材料科技在線匯總整理。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！