超级计算机助力我们找到更多提高动力锂电池的方法

为了遏制汽车碳排放总量的上升，加利福尼亚州最近宣布了一项计划，如果现任州长的命令有效，将在不到15年的时间内禁止新销售汽油动力汽车。

现在，加州大学圣地亚哥分校超级计算机中心（SDSC）的Comet和德克萨斯州高级计算中心（TACC）的Stampede2，一直致力于开发更可靠、更高效的电动汽车、轻型卡车以及其他产品，重点是为它们提供动力的电池。

“多年来，我们一直致力于使锂离子电池更持久、充电更快。”加州大学圣地亚哥分校纳米工程副教授ShyuePingOng说，我们正在开发的一种拥有高倍率性能的新型阳极材料，彗星在这方面的计算能力至关重要”

这种新型的Li3V2O5阳极是当今锂离子电池中典型石墨阳极的安全替代品，是Ong最近在《自然》杂志上发表的重点。这项研究由加州大学圣地亚哥分校的可持续电力和能源主管刘平（PingLiu）共同撰写，他解释说，这种新的阳极方法可以循环6000次以上，容量衰减可以忽略不计，并且可以快速充放电能量，在20秒内输送超过40%的容量。

这意味着未来的锂离子电池比现在的电池能提供70%以上的能量。具体来说，翁和刘提出和研究的阳极被称为无序岩盐阳极。

该材料可使锂离子电池在数分钟内安全地充电数千次。这种新的阳极被称为无序的岩盐，由富含地球的锂，钒和氧原子组成，其排列方式与普通厨房用食盐类似，但无规。对于需要高能量密度和高功率的商业应用，如电动汽车，真空吸尘器或钻机，它是有前途的。

当前，在大多数可商购的锂离子电池中，两种材料用作阳极，这些锂离子电池为手机，笔记本电脑和电动汽车等物品供电。最常见的是石墨阳极，它的能量密度极高-带有石墨阳极的锂离子电池可以为汽车供电数百英里，而无需充电。但是，过快地给石墨阳极充电会由于称为锂金属电镀的过程而导致起火和爆炸。钛酸锂阳极是一种较安全的替代品，可以快速充电，但会导致能量密度显着降低，这意味着需要更频繁地对电池进行充电。

这种新的无序岩盐阳极Li3V2O5位于重要的中间地带：比石墨更安全使用，但提供的电池至少比钛酸锂多71％的能量。

“容量和能量将比石墨低一点，但是它更快，更安全并且寿命更长。”与目前商业化的快速充电钛酸锂阳极相比，它具有更低的电压并因此大大提高了能量密度，”刘平教授的实验室博士后学者，论文的第一作者刘浩东说。“因此，使用这种材料，我们可以制造出寿命长，快速充电，安全的电池，而不会牺牲太多的能量密度。”

无序岩盐-Li3V2O5的晶体结构。红色的球代表O，蓝色的四面体代表四面体位置中的Li，绿色的八面体代表Li/V共享的八面体位置

为了使这一发现商业化，研究人员组建了一家名为Tyfast的公司。该公司的第一个市场将是电动公交车和电动工具，因为Li3V2O5无序岩盐的特性使其非常适用于可以轻松安排充电的设备。

刘教授实验室的研究人员计划继续开发这种锂钒氧化物负极材料，同时还优化其他电池组件以开发具有商业可行性的全电池。

“很长一段时间以来，电池界一直在寻找一种负极材料，该负极材料的工作电压应刚好高于石墨，以实现安全，快速充电的锂离子电池。这种材料填补了重要的知识和应用空白。”刘萍说。“我们对它的商业潜力感到兴奋，因为这种材料可以成为当今锂离子电池制造工艺的简易解决方案。”

为什么要尝试这种材料？

六年前，研究人员首先用无序的岩盐作为电池阴极进行了实验。从那时起，已经进行了许多工作以将材料转变为有效的阴极。刘浩东说，加州大学圣地亚哥分校的研究小组决定根据预感来测试这种材料作为阳极。

他说：“当人们将其用作阴极时，他们必须将材料放电至1.5伏。但是当我们观察1.5伏特的阴极材料的结构时，我们认为这种材料具有特殊的结构，可以容纳更多的锂离子-这意味着它甚至可以在更低的电压下用作阳极。”

在这项研究中，研究小组发现，他们无序的岩盐阳极可以以0.6V的平均电压（高于石墨的0.1V）可逆地循环两个锂离子，从而消除了高充电速率下的锂金属镀层，这使电池更安全，但是低于钛酸锂嵌入锂时的1.5V，因此存储更多的能量。

研究人员表明，Li3V2O5阳极可以循环进行超过6,000个循环，而容量衰减可以忽略不计，并且可以快速充电和释放能量，在20秒内提供其容量的40％以上。低电压和高能量传输速率是由于具有低能垒的独特的重新分布锂嵌入机制所致。

来自ShyuePingOng的材料虚拟实验室的博士后学者ZhuzhuoyingZhu进行了理论计算，以了解无序的锂盐Li3V2O5阳极为何能正常工作。

“我们发现Li3V2O5通过不同于其他电极材料的充电机制进行工作。锂离子会重新排列自身，从而导致低压以及快速的锂扩散。”朱卓英说。

Ong补充说：“我们相信还有其他类似的电极材料正在等待发现。”

Zoom通话中的第一作者和第一作者。顺时针从左上角开始：刘平教授，刘炳平教授，刘浩东，陆俊，辛火林教授和朱卓英。

加州大学圣地亚哥分校的实验研究由加州大学圣地亚哥分校启动基金授予刘平资助，而理论研究则由能源部和美国国家科学基金会的数据基础设施构建块（DIBBS）本地光谱数据基础设施计划资助，并在极限科学与工程发现环境（XSEDE）下使用了圣地亚哥超级计算机中心的资源。

该小组还与橡树岭国家实验室的研究人员合作，他们使用中子衍射确定了Li3V2O5的原子结构。材料。由霍林欣教授领导的加州大学欧文分校和布鲁克海文国家实验室的研究人员进行了高分辨率的微观研究，以解决锂插入后的结构变化。最后，由陆军（JunLu）领导的阿贡国家实验室（ArgonneNationalLab）和劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLab）的团队进行了X射线衍射和X射线吸收研究，以揭示材料在（去）锂化过程中的晶体结构变化和电荷补偿机制。这项研究使用了国家实验室设施，包括光束线VULCAN（橡树岭国家实验室的散裂中子源），光束线17-BM（阿贡国家实验室的高级光子源），光束线5.3.1（劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源）。

锂空气电池能否成为未来汽车动力的另一种解决方案？

另一种更有效的电动汽车动力是锂空气电池（Li-air），它将空气中的氧气转化为电能，是一种很有吸引力的替代品。虽然它还没有上市，但它可能更受欢迎，因为它提供了每公斤电池的一些最高比能量，从而增加了车辆每次充电的续航里程。

华盛顿大学圣路易斯分校的罗汉·米什拉（RohanMishra）等研究人员，以及伊利诺伊大学芝加哥分校的合作者，最近在他们的工作中取得了巨大进展，他们创造了新的二维合金，这种合金可能导致高能效锂空气电池在多次充放电循环中具有优异的稳定性。

计算材料科学家、机械工程和材料科学助理教授罗汉说：“锂空气电池可以提供高能量密度，使其成为电动汽车的优秀材料。”我们刚刚合成了几种合金，使这些电池的发展有了很大的进展，从而使制造成为可能。这些合金是在TACC的Stampede2和SDSC的Comet的密集计算的指导下合成的。”

既然米什拉和他的同事们对这些合金如何相互反应有了更好的了解，他们将致力于进一步提高这些电池的能效。

米什拉和他的同事在《先进材料》杂志上发表了他们的最新发现。华盛顿大学的这篇文章也提供了更多关于合金发展的信息。

最近，米什拉的研究小组发现了一系列稀有化合物，称为electrides，可以使氟离子电池更稳定、更可充电。氟离子电池有助于克服目前锂离子电池中锂和钴供应有限的问题。这些发现发表在《材料化学杂志》上，更多信息可以在华盛顿大学的文章中找到。

改进的锂硫电池提供了第三种选择

尽管锂硫电池已经问世多年，但它们充电速度慢，必须经常更换。高的理论容量、能量密度和低的硫成本已经引起了人们对这种电池类型的更多关注，作为未来电动汽车的潜在解决方案。

锂硫电池在满足日益增长的高能量密度电源需求方面有着巨大的前景，华盛顿州立大学机械与材料工程副教授刘瑾说我们最近的研究表明，对现有设计进行微小的分子改变可以极大地提高电池性能。

刘的研究发表在《先进能源材料》上，包括首次在彗星和踩踏2上模拟的实验。分子尺度的详细模拟和后续实验表明，短支链蛋白质（由短长度氨基酸残基组成的蛋白质）比长支链蛋白质更有效地吸收多硫化物，抑制多硫化物的穿梭，从而提高电池性能。

“一般来说，蛋白质含有大量的原子，蛋白质结构极其复杂，这类系统的分子模拟计算范围很广，只有使用彗星和Stampede2等超级计算机才有可能完成。”