阿貢實(shí)驗(yàn)室和合作機(jī)構(gòu)的研究人員指出了用于未來電池性能的’聚集體’（Aggregates）。

跟蹤最新科學(xué)文獻(xiàn)是科學(xué)家工作中的的重要部分，科學(xué)家由此可以出現(xiàn)見解，從而在未來可能轉(zhuǎn)化成重大進(jìn)展。

該圖展示的是電池電解質(zhì)的聚集體。（圖片由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室供應(yīng)）

2018年，美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室電池化學(xué)家LeiCheng偶然發(fā)現(xiàn)一些有關(guān)電池電解質(zhì)的研究，這些研究描述了納米聚集體結(jié)構(gòu)的存在。這些是由數(shù)十到數(shù)百個帶電粒子組成的團(tuán)簇，稱為離子，總直徑大于一納米。在此之前，大多數(shù)電池電解質(zhì)研究都專注在更小的結(jié)構(gòu)上。

阿貢高級化學(xué)家、杰出學(xué)者LarryCurtiss表示："其中研究的一項(xiàng)重要目標(biāo)是找到什么時候聚集體是有益的，什么時候是無益的。當(dāng)聚集體出現(xiàn)不利影響時，要從電解質(zhì)中消除它們。"

電解質(zhì)是一種化學(xué)溶液，在電池運(yùn)行中起到重要用途。電解質(zhì)包含正極帶電離子，可以在電池的正負(fù)極之間來回移動。

Cheng是聯(lián)合儲能研究中心（JCESR）的技術(shù)負(fù)責(zé)人，聯(lián)合儲能研究中心是一個能源創(chuàng)新中心（EnergyInnovationHub），由能源部發(fā)起，并由阿貢領(lǐng)導(dǎo)。聯(lián)合儲能研究中心將來自20個機(jī)構(gòu)超過150名研究人員聚集在一起，機(jī)構(gòu)包括了國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)以及公司，設(shè)計并制造能夠成為新一代電池的材料。這種電池有助于在汽車、電網(wǎng)甚至電動飛機(jī)中實(shí)現(xiàn)重大的能量轉(zhuǎn)換。

Cheng和其他幾位JCESR研究人員一致認(rèn)為，聚集體值得深入研究。畢竟，研究團(tuán)隊(duì)充分意識到電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以明顯影響其特性，并最終對電池的性能起到很大的用途。舉例來說，為了研發(fā)更好的鋰電池，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)加入少量鹽可以使其更穩(wěn)定。

Cheng說："集聚體并不是一個大問題。科研人員不會過多討論如何影響電解質(zhì)的性質(zhì)。這就是為何我們決定啟動研究項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查的原因。"

自2018至2021年，研究中心的研究人員積累了足夠多的研究成果，聚集體是一個非常重要的新興話題，有關(guān)新一代電池性能具有潛在的重大影響。為了提醒電池科學(xué)界，研究人員在《AmericanChemicalSociety’sEnergyLetters》發(fā)表了一篇有關(guān)聚集體研究的調(diào)查和分析。這篇文章匯集了研究中心研究人員和其他科學(xué)家的60項(xiàng)研究結(jié)果。

對電解質(zhì)特性的影響

這篇文章探討了聚集體是如何影響電解質(zhì)特性出現(xiàn)獨(dú)特影響的，其中包含穩(wěn)定性以及離子傳輸。

穩(wěn)定性會影響電池性能的許多關(guān)鍵方面。其中包含了壽命（充放電循環(huán)次數(shù)）、安全性、能量密度以及充放電率。例如，不穩(wěn)定的電解質(zhì)容易分解。這樣或許會縮短電池的使用時間，并導(dǎo)致安全問題。

離子運(yùn)輸指的是離子通過電解質(zhì)的速度。這種特性可以影響電池的充放電率。快速的離子運(yùn)輸可以使電動汽車充電更快速，同時也可以讓電網(wǎng)規(guī)模的電池更快地放電。另一個潛在益處是改善由大分子聚合物制成的電解質(zhì)性能。這種電解質(zhì)比液體電解液更加安全。

電解質(zhì)的聚集體對電池性能可能出現(xiàn)有利或不利的影響。因此，聚集體或許會減慢或加速離子運(yùn)輸。

相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)豐富的阿貢化學(xué)家，同時也是撰寫文章的其中一位作者LarryCurtiss表示："研究的一項(xiàng)重要目標(biāo)是找出聚集體什么時候是有益的，什么時候是無益的。當(dāng)聚集體出現(xiàn)了不利的影響時，或許應(yīng)該從電解質(zhì)中清除。"

聚集體的一個已知有益影響出現(xiàn)在鋰氧電池中。新一代電池的工作原理是通過電解質(zhì)將氧氣輸送到陰極。聚集體和鋰反應(yīng)生成過氧化鋰。和鋰電池相比，鋰氧電池具有較高的能量密度，有可能用于長途卡車和運(yùn)輸。Curtiss和其他研究人員通過模擬計算，認(rèn)為聚集體可以改善氧氣運(yùn)輸以及在陰極電解質(zhì)表面反應(yīng)。然而，目前尚不清楚為何會出現(xiàn)這些現(xiàn)象。

Curtiss說："這是未來研究的一個領(lǐng)域。"

聚集體的形成

聚集體的形成尚不完全明確。研究人員認(rèn)為，這取決于電解質(zhì)中離子和溶劑分子之間各種相互用途的強(qiáng)度。溶劑是能夠溶解其他材料的物質(zhì)。

Curtiss說："假如離子和溶劑分子反應(yīng)弱，可能會得到更小的結(jié)構(gòu)，例如，離子對。假如離子和離子之間的相互用途很強(qiáng)，可能就會得到聚集體。"

Cheng說："聚集體形成的背后，沒有一個完整且統(tǒng)一的理論。我們還要了解調(diào)整什么參數(shù)來操縱聚集體的形成和結(jié)構(gòu)。"

存在很多知識鴻溝和研究需求

到目前為止，大多數(shù)的聚集體研究專注在鋰電池上。然而，鋰電池所用的電解質(zhì)，例如，碳酸亞乙酯（ethylenecarbonate）、碳酸丙烯酯（propylenecarbonate）等，和許多正在研發(fā)的新一代電池的電極材料不兼容。包括鋰氧電池和鋰硫電池。隨著研究人員為這些先進(jìn)電池研發(fā)的替代電解質(zhì)，他們要對聚集體的影響進(jìn)行更多的調(diào)查研究。

此外，多數(shù)有關(guān)聚集體的研究只檢測了其對電解質(zhì)的影響。Curtiss說："有關(guān)聚集體是如何影響電極-電解質(zhì)表面的研究是非常稀少的，但這對電池性能而言是至關(guān)重要的。我們不了解聚集體是如何影響界面上的離子運(yùn)輸?shù)摹Ｎ覀円膊磺宄奂w是否會導(dǎo)致電子從陰極漏出并破壞電解質(zhì)。"

Cheng說："一個巨大的知識鴻溝是聚集體如何使自己在表面聚集的，以及是如何影響電荷傳輸?shù)摹?

Cheng還補(bǔ)充我們要研發(fā)新的專門針對這些界面的實(shí)驗(yàn)表征工具。可能要光譜工具，來記載材料的組成和結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)X射線技術(shù)，例如，阿貢先進(jìn)光子源正在開發(fā)的X射線技術(shù)，該技術(shù)有助于檢測出聚集體的存在，并記錄其組成方式以及隨時間推移發(fā)生的變化。

一個活躍的研究領(lǐng)域是改善計算和模擬方法，以精確描述聚集體和離子和分子之間復(fù)雜相互用途。機(jī)器學(xué)習(xí)（Machinelearning）可以收集這些互動中的大量數(shù)據(jù)。

Cheng、Curtiss和其他聯(lián)合儲能研究中心的研究人員計劃繼續(xù)進(jìn)行幾項(xiàng)聚集體的研究。其中一項(xiàng)正在進(jìn)行的研究領(lǐng)域涉及了不同離子和其他元素，以更好的了解聚集體的形成。阿貢研究人員計劃繼續(xù)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UniversityofIllinoisUrbana-Champaign）合作研究電極界面聚集體的影響。

有趣的是，聚集體的形成并不是電池電解質(zhì)獨(dú)有的。聚集體或可以在其他行業(yè)（例如，藥業(yè)）的材料生產(chǎn)過程中發(fā)揮重要用途。通過對電池電解的聚集體的研究得到的見解也會對其他過程帶來好處。

文章的其他作者來自：阿貢國家實(shí)驗(yàn)室ZhouYu；加利福尼亞大學(xué)勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley/LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）NitashBalsara；美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.ArmyResearchLaboratory）OlegBorodin；伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UniversityofIllinoisatUrbana?Champaign）AndrewGewirth；桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（SandiaNationalLaboratories）NathanHahn；圣母大學(xué)（UniversityofNotreDame）EdwardMaginn；加利福尼亞大學(xué)勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory/UniversityofCalifornia,Berkeley）KristinPersson；阿爾貢儲能科學(xué)合作中心（ArgonneCollaborativeCenterforEnergyStorageScience）VenkatSrinivasan；科羅拉多大學(xué)博爾德分校（UniversityofColorado,Boulder）MichaelToney；美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.ArmyResearchLaboratory）KangXu；桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（SandiaNationalLaboratories）KevinZavadil