科学家提出设计下一代锂电池理论模型

科技日报记者 张梦然

美国麻省理工学院团队首次系统测量了多种电池材料中的锂离子嵌入速率，并基于实验数据提出了一种全新的理论模型，研究人员凭借简单公式即可设计出下一代电池。新成果使电池主导反应机制更快、更可控，从而显著提升电池的充放电速度和使用寿命，并为人们理解不同材料和界面的反应行为提供了统一理论视角。研究成果发表在最新一期《科学》杂志上。

所有锂离子电池的核心都依赖于一个基本反应：在放电过程中，溶解于电解质中的锂离子会嵌入固体电极材料中，而在充电时，这些离子则从电极中脱嵌，返回电解质中。这一嵌入与脱嵌过程在电池整个生命周期内反复进行数千次，电池的能量输出和充电速度取决于该反应的速率。然而长期以来，科学界对这一反应的具体机制及其速率控制因素的理解十分有限。

此次新模型表明，锂离子嵌入电极并非一个孤立的离子行为，而是必须伴随着电子的同步转移。也就是说，只有当电解质中的电子同时转移到电极材料中，还原该材料以容纳锂离子时，嵌入反应才能高效进行。这一发现挑战了长期以来的主流假设。过去几十年中，人们在测量锂嵌入速率时经常得到彼此矛盾的结果，不同实验室的测量值甚至可相差十亿倍，这使得建立统一的理论框架变得异常困难。

团队采用一种精确的电化学技术，实际测得的嵌入速率远低于以往报道的数值。基于这些数据，团队提出了新的耦合离子-电子转移理论。该理论指出，真正的电化学限速步骤并非是锂离子的嵌入，而是电子转移过程，即电极材料被还原以准备接收锂离子的过程。锂离子的嵌入与电子的转移相互促进，共同决定了反应的整体速率，这为理解电池反应动力学提供了更精确的理论基础。

这一理论不仅解释了以往实验数据的巨大差异，还为设计更高性能的电池提供了明确指导。这种通过电解质调控嵌入动力学的策略，仅用简单公式就提供了理论框架。人们不再依赖试错法，只需基于关键材料参数进行有针对性的优化，就可推动充电速度更快、能量密度更高、副反应更少的下一代锂离子电池的开发。

总编辑圈点

本文的研究为电池技术发展提供了理论支撑。人们过去依赖试错的经验式材料开发，如今有了精确的数学工具作为指导，研发效率有望大幅提升。若能基于此模型构建出材料筛选平台，将加速高功率动力电池、高稳定性储能系统的问世，进而对电动汽车进一步普及和可再生能源高效存储具有重大推动意义。可以说，这一成果是电池研究从现象摸索迈向理性设计的一大转折。