富士膠片公司8月1日宣布，在分子水平探明了鋰離子充電電池內(nèi)部的電解液還原和分解反應(yīng)的機(jī)理，以及電解液在電極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆膜的反應(yīng)機(jī)理。這些反應(yīng)機(jī)理很難直接觀察，此次富士膠片與日本物質(zhì)及材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）合作，共同使用超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)模擬，探明了相關(guān)機(jī)制。
鋰離子充電電池的構(gòu)造和工作原理。圖片由富士膠片提供。
通過此次研究查明的化學(xué)反應(yīng)的示意圖。圖片由富士膠片提供。
對(duì)于鋰離子充電電池的性能和安全性，電解液的還原及分解反應(yīng)、以及由電解液分解形成的SEI膜（電極表面的覆膜）的形成被認(rèn)為是“關(guān)鍵”。雖然大家都知道SEI膜的功能可通過添加微量添加劑得到顯著改善，但與SEI膜的形成相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)卻因?yàn)殡y以直接觀察而一直未能探明。
此次研究使用超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”，在全球首次將融合了處理化學(xué)鍵變化的“第一性原理分子動(dòng)力學(xué)法”與計(jì)算液體中化學(xué)反應(yīng)的“自由能計(jì)算法”融合在一起的計(jì)算技術(shù)運(yùn)用到了鋰離子充電電池中。前者是不利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、只使用基于量子力學(xué)方程式的原子間作用力的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，后者是求解動(dòng)態(tài)化學(xué)反應(yīng)的激活自由能、反應(yīng)自由能及反應(yīng)路徑的方法。計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，電解液材料使用碳酸亞乙酯（EC），添加劑使用碳酸亞乙烯酯（VC）。
經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬，最終在分子水平查明了EC和VC的還原與分解的過程、EC與VC反應(yīng)形成SEI膜的過程以及上述程中的副產(chǎn)物氣體（CO、C2H4、CO2）的產(chǎn)生情況。從而探明了被充電時(shí)在電極間移動(dòng)的離子還原的電解液的分子與未被還原的添加劑的分子發(fā)生反應(yīng)、從而形成SEI膜材料的新的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。
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