為了遏制汽車(chē)碳排放總量的上升，加利福尼亞州最近宣布了一項(xiàng)計(jì)劃，如果現(xiàn)任州長(zhǎng)的命令有效，將在不到15年的時(shí)間內(nèi)禁止新銷(xiāo)售汽油動(dòng)力汽車(chē)。

現(xiàn)在，加州大學(xué)圣地亞哥分校超級(jí)計(jì)算機(jī)中心（SDSC）的Comet和德克薩斯州高級(jí)計(jì)算中心（TACC）的Stampede2，一直致力于開(kāi)發(fā)更可靠、更高效的電動(dòng)汽車(chē)、輕型卡車(chē)以及其他產(chǎn)品，重點(diǎn)是為它們提供動(dòng)力的電池。

“多年來(lái)，我們一直致力于使鋰離子電池更持久、充電更快。”加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程副教授ShyuePingOng說(shuō)，我們正在開(kāi)發(fā)的一種擁有高倍率性能的新型陽(yáng)極材料，彗星在這方面的計(jì)算能力至關(guān)重要”

這種新型的Li3V2O5陽(yáng)極是當(dāng)今鋰離子電池中典型石墨陽(yáng)極的安全替代品，是Ong最近在《自然》雜志上發(fā)表的重點(diǎn)。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校的可持續(xù)電力和能源主管劉平（PingLiu）共同撰寫(xiě)，他解釋說(shuō)，這種新的陽(yáng)極方法可以循環(huán)6000次以上，容量衰減可以忽略不計(jì)，并且可以快速充放電能量，在20秒內(nèi)輸送超過(guò)40%的容量。

這意味著未來(lái)的鋰離子電池比現(xiàn)在的電池能提供70%以上的能量。具體來(lái)說(shuō)，翁和劉提出和研究的陽(yáng)極被稱為無(wú)序巖鹽陽(yáng)極。

該材料可使鋰離子電池在數(shù)分鐘內(nèi)安全地充電數(shù)千次。這種新的陽(yáng)極被稱為無(wú)序的巖鹽，由富含地球的鋰，釩和氧原子組成，其排列方式與普通廚房用食鹽類(lèi)似，但無(wú)規(guī)。對(duì)于需要高能量密度和高功率的商業(yè)應(yīng)用，如電動(dòng)汽車(chē)，真空吸塵器或鉆機(jī)，它是有前途的。

當(dāng)前，在大多數(shù)可商購(gòu)的鋰離子電池中，兩種材料用作陽(yáng)極，這些鋰離子電池為手機(jī)，筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)等物品供電。最常見(jiàn)的是石墨陽(yáng)極，它的能量密度極高-帶有石墨陽(yáng)極的鋰離子電池可以為汽車(chē)供電數(shù)百英里，而無(wú)需充電。但是，過(guò)快地給石墨陽(yáng)極充電會(huì)由于稱為鋰金屬電鍍的過(guò)程而導(dǎo)致起火和爆炸。鈦酸鋰陽(yáng)極是一種較安全的替代品，可以快速充電，但會(huì)導(dǎo)致能量密度顯著降低，這意味著需要更頻繁地對(duì)電池進(jìn)行充電。

這種新的無(wú)序巖鹽陽(yáng)極Li3V2O5位于重要的中間地帶：比石墨更安全使用，但提供的電池至少比鈦酸鋰多71％的能量。

“容量和能量將比石墨低一點(diǎn)，但是它更快，更安全并且壽命更長(zhǎng)?！迸c目前商業(yè)化的快速充電鈦酸鋰陽(yáng)極相比，它具有更低的電壓并因此大大提高了能量密度，”劉平教授的實(shí)驗(yàn)室博士后學(xué)者，論文的第一作者劉浩東說(shuō)?！耙虼?，使用這種材料，我們可以制造出壽命長(zhǎng)，快速充電，安全的電池，而不會(huì)犧牲太多的能量密度?！?/p>

無(wú)序巖鹽-Li3V2O5的晶體結(jié)構(gòu)。紅色的球代表O，藍(lán)色的四面體代表四面體位置中的Li，綠色的八面體代表Li/V共享的八面體位置

為了使這一發(fā)現(xiàn)商業(yè)化，研究人員組建了一家名為T(mén)yfast的公司。該公司的第一個(gè)市場(chǎng)將是電動(dòng)公交車(chē)和電動(dòng)工具，因?yàn)長(zhǎng)i3V2O5無(wú)序巖鹽的特性使其非常適用于可以輕松安排充電的設(shè)備。

劉教授實(shí)驗(yàn)室的研究人員計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)發(fā)這種鋰釩氧化物負(fù)極材料，同時(shí)還優(yōu)化其他電池組件以開(kāi)發(fā)具有商業(yè)可行性的全電池。

“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，電池界一直在尋找一種負(fù)極材料，該負(fù)極材料的工作電壓應(yīng)剛好高于石墨，以實(shí)現(xiàn)安全，快速充電的鋰離子電池。這種材料填補(bǔ)了重要的知識(shí)和應(yīng)用空白?！眲⑵颊f(shuō)。“我們對(duì)它的商業(yè)潛力感到興奮，因?yàn)檫@種材料可以成為當(dāng)今鋰離子電池制造工藝的簡(jiǎn)易解決方案?！?/p>

為什么要嘗試這種材料？

六年前，研究人員首先用無(wú)序的巖鹽作為電池陰極進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。從那時(shí)起，已經(jīng)進(jìn)行了許多工作以將材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У年帢O。劉浩東說(shuō)，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組決定根據(jù)預(yù)感來(lái)測(cè)試這種材料作為陽(yáng)極。

他說(shuō)：“當(dāng)人們將其用作陰極時(shí)，他們必須將材料放電至1.5伏。但是當(dāng)我們觀察1.5伏特的陰極材料的結(jié)構(gòu)時(shí)，我們認(rèn)為這種材料具有特殊的結(jié)構(gòu)，可以容納更多的鋰離子-這意味著它甚至可以在更低的電壓下用作陽(yáng)極?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們無(wú)序的巖鹽陽(yáng)極可以以0.6V的平均電壓（高于石墨的0.1V）可逆地循環(huán)兩個(gè)鋰離子，從而消除了高充電速率下的鋰金屬鍍層，這使電池更安全，但是低于鈦酸鋰嵌入鋰時(shí)的1.5V，因此存儲(chǔ)更多的能量。

研究人員表明，Li3V2O5 陽(yáng)極可以循環(huán)進(jìn)行超過(guò)6,000個(gè)循環(huán)，而容量衰減可以忽略不計(jì)，并且可以快速充電和釋放能量，在20秒內(nèi)提供其容量的40％以上。低電壓和高能量傳輸速率是由于具有低能壘的獨(dú)特的重新分布鋰嵌入機(jī)制所致。

來(lái)自ShyuePingOng的材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者ZhuzhuoyingZhu進(jìn)行了理論計(jì)算，以了解無(wú)序的鋰鹽Li3V2O5陽(yáng)極為何能正常工作。

“我們發(fā)現(xiàn)Li3V2O5通過(guò)不同于其他電極材料的充電機(jī)制進(jìn)行工作。鋰離子會(huì)重新排列自身，從而導(dǎo)致低壓以及快速的鋰擴(kuò)散?！敝熳坑⒄f(shuō)。

Ong補(bǔ)充說(shuō)：“我們相信還有其他類(lèi)似的電極材料正在等待發(fā)現(xiàn)?！?/p>

Zoom通話中的第一作者和第一作者。順時(shí)針從左上角開(kāi)始：劉平教授，劉炳平教授，劉浩東，陸俊，辛火林教授和朱卓英。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的實(shí)驗(yàn)研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校啟動(dòng)基金授予劉平資助，而理論研究則由能源部和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建塊（DIBBS）本地光譜數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃資助，并在極限科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境（XSEDE）下使用了圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的資源。

該小組還與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，他們使用中子衍射確定了Li3V2O5的原子結(jié)構(gòu)。材料。由霍林欣教授領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)歐文分校和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行了高分辨率的微觀研究，以解決鋰插入后的結(jié)構(gòu)變化。最后，由陸軍（JunLu）領(lǐng)導(dǎo)的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLab）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LawrenceBerkeleyNationalLab）的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了X射線衍射和X射線吸收研究，以揭示材料在（去）鋰化過(guò)程中的晶體結(jié)構(gòu)變化和電荷補(bǔ)償機(jī)制。這項(xiàng)研究使用了國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，包括光束線VULCAN（橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源），光束線17-BM（阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源），光束線5.3.1（勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源）。

鋰空氣電池能否成為未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力的另一種解決方案？

另一種更有效的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力是鋰空氣電池（Li-air），它將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能，是一種很有吸引力的替代品。雖然它還沒(méi)有上市，但它可能更受歡迎，因?yàn)樗峁┝嗣抗镫姵氐囊恍┳罡弑饶芰?，從而增加了?chē)輛每次充電的續(xù)航里程。

華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的羅漢·米什拉（RohanMishra）等研究人員，以及伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的合作者，最近在他們的工作中取得了巨大進(jìn)展，他們創(chuàng)造了新的二維合金，這種合金可能導(dǎo)致高能效鋰空氣電池在多次充放電循環(huán)中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

計(jì)算材料科學(xué)家、機(jī)械工程和材料科學(xué)助理教授羅漢說(shuō)：“鋰空氣電池可以提供高能量密度，使其成為電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)秀材料?！蔽覀儎倓偤铣闪藥追N合金，使這些電池的發(fā)展有了很大的進(jìn)展，從而使制造成為可能。這些合金是在TACC的Stampede2和SDSC的Comet的密集計(jì)算的指導(dǎo)下合成的。”

既然米什拉和他的同事們對(duì)這些合金如何相互反應(yīng)有了更好的了解，他們將致力于進(jìn)一步提高這些電池的能效。

米什拉和他的同事在《先進(jìn)材料》雜志上發(fā)表了他們的最新發(fā)現(xiàn)。華盛頓大學(xué)的這篇文章也提供了更多關(guān)于合金發(fā)展的信息。

最近，米什拉的研究小組發(fā)現(xiàn)了一系列稀有化合物，稱為electrides，可以使氟離子電池更穩(wěn)定、更可充電。氟離子電池有助于克服目前鋰離子電池中鋰和鈷供應(yīng)有限的問(wèn)題。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《材料化學(xué)雜志》上，更多信息可以在華盛頓大學(xué)的文章中找到。

改進(jìn)的鋰硫電池提供了第三種選擇

盡管鋰硫電池已經(jīng)問(wèn)世多年，但它們充電速度慢，必須經(jīng)常更換。高的理論容量、能量密度和低的硫成本已經(jīng)引起了人們對(duì)這種電池類(lèi)型的更多關(guān)注，作為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的潛在解決方案。

鋰硫電池在滿足日益增長(zhǎng)的高能量密度電源需求方面有著巨大的前景，華盛頓州立大學(xué)機(jī)械與材料工程副教授劉瑾說(shuō)我們最近的研究表明，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行微小的分子改變可以極大地提高電池性能。

劉的研究發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》上，包括首次在彗星和踩踏2上模擬的實(shí)驗(yàn)。分子尺度的詳細(xì)模擬和后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，短支鏈蛋白質(zhì)（由短長(zhǎng)度氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)）比長(zhǎng)支鏈蛋白質(zhì)更有效地吸收多硫化物，抑制多硫化物的穿梭，從而提高電池性能。

“一般來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)含有大量的原子，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，這類(lèi)系統(tǒng)的分子模擬計(jì)算范圍很廣，只有使用彗星和Stampede2等超級(jí)計(jì)算機(jī)才有可能完成?！?/p>