低頭族新福利——手機待機時間要延長了

材料牛注：手機已經成為我們每個人生活的必需品，買個新的智能手機總是讓人興奮的，但是一旦你開始使用它，手機的電池就開始走下坡路了。隨著每次充放電，電池的容量一點點降低。大多數手機都是因為電池的報廢而失去了使用價值。因此，我們需要對鋰離子電池進行改進。

鋰離子電池的功能為什么會隨著充放電的進行而退化呢？

美國西北大學McCormick工程學院Wolverton教授向我們解釋道：電池的衰退主要是因為負極性能的降低。鋰離子電池負極材料往往是由鋰元素、過渡金屬和氧元素組成的化合物。電池除正負極以外，還包含電解液，是鋰離子在正負極之間傳輸的媒介。當電池充電時，電解液分解，會釋放氫氟酸。氫氟酸是一種高度活潑的物質，能夠腐蝕電池的負極材料。這就是隨著充放電的循環，鋰離子電池性能降低的原因。

針對以上問題，研究人員決定找一種材料作為電池負極的涂層材料。因為一個包覆涂層能夠起到多重作用，首先，它能夠在負極周圍提供一個障礙，阻止氫氟酸的侵蝕。再者，涂層材料能夠優先和氫氟酸反應，因此沒有多余的氫氟酸和負極材料反應，這樣就可以延長電池的使用壽命了。

但是，世界上的材料有成千上萬中，怎樣才能找到合適的材料來作為電池負極的包覆涂層呢？在先前，研究人員主要是通過試錯法來探索涂層材料，這是一個緩慢并且有限的過程，因為各種材料的結合有著數百萬甚至上億種可能的結果。

為了提高效率，Wolverton教授領導的團隊開發了一種設計方法，通過計算機模擬精準確定出最合適的材料作為鋰離子電池負極的包覆涂層。首先，Wolverton教授建立了一個不斷增長的開放式量子材料數據庫（Open Quantum Materials Database，簡稱OQMD）。OQMD包含470000多種化合物的信息，是世界上最大的材料數據庫之一，并且對公眾開放，可以在線下載。該數據庫對于負極涂層材料的探索是必需的。

然后，Wolverton教授團隊的研究人員設計了一個計算方法，對數據庫中的材料進行篩選，最終確定并排序了30種最有潛力的候選材料，能夠成為氫氟酸障礙壁壘或者清除劑。這些材料已經由美國陶氏化學公司同構實驗手段檢測過，表明確實可以阻止電池的衰退。

Wolverton教授表示：這種設計方法不僅僅是用來延長電池的使用壽命，也致力于完成材料基因組計劃的美好愿景。該計劃是由奧巴馬政府在2011年提出，主要用來加速探索、發展以及部署新材料。我們要利用這些數據庫和計算方法設計更多種類的材料。

以上研究項目由美國能源部和陶氏化學公司提供資金支持，目前，其設計方案和結果已經發表在期刊Nature Communications。

原文鏈接：New design strategy for longer lasting batteries.

文獻鏈接：High-throughput computational design of cathode coatings for Li-ion batteries.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，陳靜編譯，點我加入材料人編輯部。

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