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美國麻省理工學(xué)院團隊首次系統(tǒng)測量了多種電池材料中的鋰離子嵌入速率，并基于實驗數(shù)據(jù)提出了一種全新的理論模型，研究人員憑借簡單公式即可設(shè)計出下一代電池。新成果使電池主導(dǎo)反應(yīng)機制更快、更可控，從而顯著提升電池的充放電速度和使用壽命，并為人們理解不同材料和界面的反應(yīng)行為提供了統(tǒng)一理論視角。研究成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。
所有鋰離子電池的核心都依賴于一個基本反應(yīng)：在放電過程中，溶解于電解質(zhì)中的鋰離子會嵌入固體電極材料中，而在充電時，這些離子則從電極中脫嵌，返回電解質(zhì)中。這一嵌入與脫嵌過程在電池整個生命周期內(nèi)反復(fù)進(jìn)行數(shù)千次，電池的能量輸出和充電速度取決于該反應(yīng)的速率。然而長期以來，科學(xué)界對這一反應(yīng)的具體機制及其速率控制因素的理解十分有限。
此次新模型表明，鋰離子嵌入電極并非一個孤立的離子行為，而是必須伴隨著電子的同步轉(zhuǎn)移。也就是說，只有當(dāng)電解質(zhì)中的電子同時轉(zhuǎn)移到電極材料中，還原該材料以容納鋰離子時，嵌入反應(yīng)才能高效進(jìn)行。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了長期以來的主流假設(shè)。過去幾十年中，人們在測量鋰嵌入速率時經(jīng)常得到彼此矛盾的結(jié)果，不同實驗室的測量值甚至可相差十億倍，這使得建立統(tǒng)一的理論框架變得異常困難。
團隊采用一種精確的電化學(xué)技術(shù)，實際測得的嵌入速率遠(yuǎn)低于以往報道的數(shù)值?；谶@些數(shù)據(jù)，團隊提出了新的耦合離子-電子轉(zhuǎn)移理論。該理論指出，真正的電化學(xué)限速步驟并非是鋰離子的嵌入，而是電子轉(zhuǎn)移過程，即電極材料被還原以準(zhǔn)備接收鋰離子的過程。鋰離子的嵌入與電子的轉(zhuǎn)移相互促進(jìn)，共同決定了反應(yīng)的整體速率，這為理解電池反應(yīng)動力學(xué)提供了更精確的理論基礎(chǔ)。
這一理論不僅解釋了以往實驗數(shù)據(jù)的巨大差異，還為設(shè)計更高性能的電池提供了明確指導(dǎo)。這種通過電解質(zhì)調(diào)控嵌入動力學(xué)的策略，僅用簡單公式就提供了理論框架。人們不再依賴試錯法，只需基于關(guān)鍵材料參數(shù)進(jìn)行有針對性的優(yōu)化，就可推動充電速度更快、能量密度更高、副反應(yīng)更少的下一代鋰離子電池的開發(fā)。（記者 張夢然）
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