中國儲能網(wǎng)訊：近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和萊斯大學(xué)的科研人員提出一種理論模型，認(rèn)為碳材料將來或可用于制作鋰離子電池的陽極。
該理論模型以電池陽極材料的內(nèi)部電子特點為基礎(chǔ)，包括材料的量子電容（吸附電荷的能力）以及絕對費米能級（決定多少個鋰離子吸附到電極）。
碳電極結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能以及形狀的微小改變都能顯著改變吸附鋰離子的能力，并影響電池的儲能容量、電壓和能量密度。科研人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些性能之間的普遍關(guān)聯(lián)性和質(zhì)數(shù)允許科研人員對電池電極進(jìn)行微調(diào)。
萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家Boris Yakobson說：“材料科學(xué)家對用于電極的2D結(jié)構(gòu)以上的材料（如石墨烯和和納米管）進(jìn)行測試時，微調(diào)就變得十分重要。這些材料能夠提供非常大的表面積，這樣離子就會緊湊的吸附在電極上。這個試驗強(qiáng)調(diào)了量子電容的重要性。一般情況下，電池電容是由電極配置決定的，人們通常會考慮極板之間的距離作為參考。但是，如果電池極板之間距離過近，電極和電解液處于密封狀態(tài)，則量子電容就會變成限制參數(shù)?！?
預(yù)測不同碳極材料的新模型（圖片來源：萊斯大學(xué) 劉元月）
該研究論文的首席作者—來自萊斯大學(xué)的研究生劉元月（音）表示：“電極材料的費米能級同樣很重要：費米能級和鋰離子的吸附性成反比?！?
劉元月和勞倫斯利弗莫爾實驗室的科學(xué)家Brandon Wood在尋找一種描述符(descriptor)，可以捕捉鋰離子和不同碳極材料（包括原始/有缺陷/緊繃的石墨烯、平面碳群、納米管、多層碳堆等）間相互反應(yīng)的物理特性。
劉元月說：“描述符就是狀態(tài)填充，即要求在電極內(nèi)把空缺的電子狀態(tài)填滿。”
Yakobson補充道：“一般來講，描述符是一個參數(shù)或者中間特性，無法提供你真實想要的，但卻能和材料的最終性能保持一致。描述符將復(fù)雜的特性結(jié)合在一起。例如，你可以根據(jù)人們的身高或者體重判斷他的身體素質(zhì)，但是不能準(zhǔn)確的告訴你這個人有多強(qiáng)壯，只是給你一些猜想?！?
以描述符為基礎(chǔ)，科研人員可以對不同的碳極材料進(jìn)行評估。尤其是他們發(fā)現(xiàn)有缺陷的/彎曲的石墨烯等材料非常適合做電池陽極，因為它們的能線圖允許吸附更多的鋰離子。
劉元月表示：“通過描述符等，我們可以快速評估材料的性能，而無需進(jìn)行電化學(xué)實驗或者昂貴的計算?！?
相關(guān)研究論文發(fā)表在《物理評論快報》，由勞倫斯利弗莫爾實驗室的Bandon Wood和萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家Boris Yakobson擔(dān)任科研小組負(fù)責(zé)人。（中國儲能網(wǎng)獨家編譯）
