為了遏制汽車碳排放總量的上升，加利福尼亞州最近宣布了一項計劃，如果現(xiàn)任州長的命令有效，將在不到15年的時間內(nèi)禁止新銷售汽油動力汽車。

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

“多年來，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，我們正在開發(fā)的一種擁有高倍率性能的新型陽極材料，彗星在這方面的計算能力至關(guān)重要”

這種新型的Li3V2O5陽極是當(dāng)今鋰離子電池中典型石墨陽極的安全替代品，是Ong最近在《自然》雜志上發(fā)表的重點。這項研究由加州大學(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，他解釋說，這種新的陽極方法可以循環(huán)6000次以上，容量衰減可以忽略不計，并且可以快速充放電能量，在20秒內(nèi)輸送超過40%的容量。

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

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。這種新的陽極被稱為無序的巖鹽，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似，但無規(guī)。對于需要高能量密度和高功率的商業(yè)應(yīng)用，如電動汽車，真空吸塵器或鉆機(jī)，它是有前途的。

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

這種新的無序巖鹽陽極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，但是它更快，更安全并且壽命更長。”與目前商業(yè)化的快速充電鈦酸鋰陽極相比，它具有更低的電壓并因此大大提高了能量密度，”劉平教授的實驗室博士后學(xué)者，論文的第一作者劉浩東說?！耙虼耍褂眠@種材料，我們可以制造出壽命長，快速充電，安全的電池，而不會犧牲太多的能量密度。”

無序巖鹽-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Tyfast的公司。該公司的第一個市場將是電動公交車和電動工具，因為Li3V2O5無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。

劉教授實驗室的研究人員計劃繼續(xù)開發(fā)這種鋰釩氧化物負(fù)極材料，同時還優(yōu)化其他電池組件以開發(fā)具有商業(yè)可行性的全電池。

“很長一段時間以來，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)了重要的知識和應(yīng)用空白?！眲⑵颊f。“我們對它的商業(yè)潛力感到興奮，因為這種材料可以成為當(dāng)今鋰離子電池制造工藝的簡易解決方案?！?/p>

為什么要嘗試這種材料？

六年前，研究人員首先用無序的巖鹽作為電池陰極進(jìn)行了實驗。從那時起，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，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組決定根據(jù)預(yù)感來測試這種材料作為陽極。

他說：“當(dāng)人們將其用作陰極時，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，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極?！?/p>

在這項研究中，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們無序的巖鹽陽極可以以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的1.5V，因此存儲更多的能量。

研究人員表明，Li3V2O5 陽極可以循環(huán)進(jìn)行超過6,000個循環(huán)，而容量衰減可以忽略不計，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。

來自ShyuePingOng的材料虛擬實驗室的博士后學(xué)者ZhuzhuoyingZhu進(jìn)行了理論計算，以了解無序的鋰鹽Li3V2O5陽極為何能正常工作。

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

Ong補(bǔ)充說：“我們相信還有其他類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。順時針從左上角開始：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)圣地亞哥分校的實驗研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校啟動基金授予劉平資助，而理論研究則由能源部和美國國家科學(xué)基金會的數(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計算機(jī)中心的資源。

該小組還與橡樹嶺國家實驗室的研究人員合作，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家實驗室的研究人員進(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)的阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLab）和勞倫斯伯克利國家實驗室（LawrenceBerkeleyNationalLab）的團(tuán)隊進(jìn)行了X射線衍射和X射線吸收研究，以揭示材料在（去）鋰化過程中的晶體結(jié)構(gòu)變化和電荷補(bǔ)償機(jī)制。這項研究使用了國家實驗室設(shè)施，包括光束線VULCAN（橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源），光束線17-BM（阿貢國家實驗室的高級光子源），光束線5.3.1（勞倫斯伯克利國家實驗室的高級光源）。

鋰空氣電池能否成為未來汽車動力的另一種解決方案？

另一種更有效的電動汽車動力是鋰空氣電池（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。雖然它還沒有上市，但它可能更受歡迎，因為它提供了每公斤電池的一些最高比能量，從而增加了車輛每次充電的續(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：“鋰空氣電池可以提供高能量密度，使其成為電動汽車的優(yōu)秀材料。”我們剛剛合成了幾種合金，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的密集計算的指導(dǎo)下合成的?！?/p>

既然米什拉和他的同事們對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)引起了人們對這種電池類型的更多關(guān)注，作為未來電動汽車的潛在解決方案。

鋰硫電池在滿足日益增長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我們最近的研究表明，對現(xiàn)有設(shè)計進(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上模擬的實驗。分子尺度的詳細(xì)模擬和后續(xù)實驗表明，短支鏈蛋白質(zhì)（由短長度氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)）比長支鏈蛋白質(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。

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