在《自然能源》杂志上发表的一项研究中，德克萨斯农工大学ArtieMcFerrin化学工程系教授PerlaBalbuena博士和JorgeSeminario博士开发了一种新方法，利用量子技术来了解外部压力对锂金属电池的影响机械师。更深入地了解锂离子在压力下的行为可以推进和改进锂金属电池制造工艺，从而开发更持久、更高效的电池技术。
“这项工作完美地展示了第一原理从头分析对宏观过程设计的影响，”巴尔布埃纳说。“类似的方法可用于开发改进的化学和物理过程，影响化学工程、电气、机械、材料科学和生物领域。”
这项研究是在Battery500联盟的领导下进行的，该联盟是国家实验室和学术界之间的一个合作项目，致力于开发更可靠、高性能的汽车电池，并由太平洋西北国家实验室领导，旨在帮助实现能源部设定的目标。
锂离子电池彻底改变了移动电子产品，推动了纳米电子学和可以轻松放入口袋的紧凑型设备的发展。尽管锂离子电池用于智能手机、手表、玩具、笔记本电脑、电动汽车和电网，但仍然面临许多问题，其中最重要的问题之一是其能量密度，它受到电池组件的限制。
据Seminario介绍，锂离子电池的工作原理是依靠两个重要的电极将锂离子转化为中性物质，并将其能量以化学能的形式储存起来。此外，它们将这些中性物质转化回离子，从而能够将其能量以电能的形式传输。
第一个电极是阳极(负极)，其中锂离子拥有最大能量。相反，第二个电极是阴极(正极)，其中锂离子的能量最低。这种固有的能级差异解释了为什么锂离子在放电过程中会自发地从阳极迁移到阴极，使电子能够在外部跟随，从而为它们想要供电的外部设备提供能量。
克服当前商业锂离子电池局限性的一个有希望的途径是探索替代材料。具体来说，用锂金属替代传统的石墨阳极。理论上，这种替代可以将阳极内的能量密度提高十倍。
然而，锂金属具有高反应性，需要创新的控制措施，例如向电池施加外部压力。而且，虽然已知外部压力对电池性能有深远影响，但目前还没有研究探讨大型软包电池中外部压力与锂电镀(利用电场将离子沉积在金属表面上)之间的关系的报道以提高整体性能。此外，当电池组装和循环时，其部件可能会发生体积变化，导致电池膨胀并影响电池性能和循环寿命。
他们的研究重点是了解为什么压力有助于在阳极上实现近乎均匀的锂离子分布，从而防止形成枝晶(可能导致电池短路的微小针状结构)。通过采用理论计算技术，德克萨斯农工大学团队仔细分析了压力对锂金属阳极的精确影响。
“我们使用量子力学分析来评估锂离子从阴极迁移到阳极的轨迹，”巴尔布埃纳说。“由于锂离子到达沉积的阳极表面会受到压力效应的影响，了解锂离子的轨迹使我们能够预测随后在阳极表面上的电沉积。”
这项研究的主要发现是，锂离子倾向于绕道前往压力较高或表面锂原子浓度较高的区域。这种行为是由于锂金属阳极产生的电场而产生的。
这一发现将使研究人员能够预测作为尖端应用组件的新型材料的行为。预测这些条件下离子行为的能力可以为锂金属电池的广泛使用打开大门，锂金属电池是用更便宜的基础设施和制造工艺开发的，并且具有更长的电池寿命和更多的功能。
“这些发现具有巨大的影响，因为它们增加了第一性原理理论计算技术在具有特定特性的新材料设计领域的引入，”塞米纳里奥说。“当我们努力实现更清洁、更高效的交通时，克服这些障碍对于电动汽车的广泛采用至关重要。”