低头族新福利——手机待机时间要延长了

材料牛注：手机已经成为我们每个人生活的必需品，买个新的智能手机总是让人兴奋的，但是一旦你开始使用它，手机的电池就开始走下坡路了。随着每次充放电，电池的容量一点点降低。大多数手机都是因为电池的报废而失去了使用价值。因此，我们需要对锂离子电池进行改进。

锂离子电池的功能为什么会随着充放电的进行而退化呢？

美国西北大学McCormick工程学院Wolverton教授向我们解释道：电池的衰退主要是因为负极性能的降低。锂离子电池负极材料往往是由锂元素、过渡金属和氧元素组成的化合物。电池除正负极以外，还包含电解液，是锂离子在正负极之间传输的媒介。当电池充电时，电解液分解，会释放氢氟酸。氢氟酸是一种高度活泼的物质，能够腐蚀电池的负极材料。这就是随着充放电的循环，锂离子电池性能降低的原因。

针对以上问题，研究人员决定找一种材料作为电池负极的涂层材料。因为一个包覆涂层能够起到多重作用，首先，它能够在负极周围提供一个障碍，阻止氢氟酸的侵蚀。再者，涂层材料能够优先和氢氟酸反应，因此没有多余的氢氟酸和负极材料反应，这样就可以延长电池的使用寿命了。

但是，世界上的材料有成千上万中，怎样才能找到合适的材料来作为电池负极的包覆涂层呢？在先前，研究人员主要是通过试错法来探索涂层材料，这是一个缓慢并且有限的过程，因为各种材料的结合有着数百万甚至上亿种可能的结果。

为了提高效率，Wolverton教授领导的团队开发了一种设计方法，通过计算机模拟精准确定出最合适的材料作为锂离子电池负极的包覆涂层。首先，Wolverton教授建立了一个不断增长的开放式量子材料数据库（Open Quantum Materials Database，简称OQMD）。OQMD包含470000多种化合物的信息，是世界上最大的材料数据库之一，并且对公众开放，可以在线下载。该数据库对于负极涂层材料的探索是必需的。

然后，Wolverton教授团队的研究人员设计了一个计算方法，对数据库中的材料进行筛选，最终确定并排序了30种最有潜力的候选材料，能够成为氢氟酸障碍壁垒或者清除剂。这些材料已经由美国陶氏化学公司同构实验手段检测过，表明确实可以阻止电池的衰退。

Wolverton教授表示：这种设计方法不仅仅是用来延长电池的使用寿命，也致力于完成材料基因组计划的美好愿景。该计划是由奥巴马政府在2011年提出，主要用来加速探索、发展以及部署新材料。我们要利用这些数据库和计算方法设计更多种类的材料。

以上研究项目由美国能源部和陶氏化学公司提供资金支持，目前，其设计方案和结果已经发表在期刊Nature Communications。

原文链接：New design strategy for longer lasting batteries.

文献链接：High-throughput computational design of cathode coatings for Li-ion batteries.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，陈静编译，点我加入材料人编辑部。

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