中國儲能網(wǎng)訊：近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和萊斯大學的科研人員提出一種理論模型，認為碳材料將來或可用于制作鋰離子電池的陽極。
該理論模型以電池陽極材料的內(nèi)部電子特點為基礎，包括材料的量子電容（吸附電荷的能力）以及絕對費米能級（決定多少個鋰離子吸附到電極）。
碳電極結構、化學性能以及形狀的微小改變都能顯著改變吸附鋰離子的能力，并影響電池的儲能容量、電壓和能量密度。科研人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些性能之間的普遍關聯(lián)性和質(zhì)數(shù)允許科研人員對電池電極進行微調(diào)。
萊斯大學理論物理學家Boris Yakobson說：“材料科學家對用于電極的2D結構以上的材料（如石墨烯和和納米管）進行測試時，微調(diào)就變得十分重要。這些材料能夠提供非常大的表面積，這樣離子就會緊湊的吸附在電極上。這個試驗強調(diào)了量子電容的重要性。一般情況下，電池電容是由電極配置決定的，人們通常會考慮極板之間的距離作為參考。但是，如果電池極板之間距離過近，電極和電解液處于密封狀態(tài)，則量子電容就會變成限制參數(shù)。”
預測不同碳極材料的新模型（圖片來源：萊斯大學 劉元月）
該研究論文的首席作者—來自萊斯大學的研究生劉元月（音）表示：“電極材料的費米能級同樣很重要：費米能級和鋰離子的吸附性成反比。”
劉元月和勞倫斯利弗莫爾實驗室的科學家Brandon Wood在尋找一種描述符(descriptor)，可以捕捉鋰離子和不同碳極材料（包括原始/有缺陷/緊繃的石墨烯、平面碳群、納米管、多層碳堆等）間相互反應的物理特性。
劉元月說：“描述符就是狀態(tài)填充，即要求在電極內(nèi)把空缺的電子狀態(tài)填滿。”
Yakobson補充道：“一般來講，描述符是一個參數(shù)或者中間特性，無法提供你真實想要的，但卻能和材料的最終性能保持一致。描述符將復雜的特性結合在一起。例如，你可以根據(jù)人們的身高或者體重判斷他的身體素質(zhì)，但是不能準確的告訴你這個人有多強壯，只是給你一些猜想。”
以描述符為基礎，科研人員可以對不同的碳極材料進行評估。尤其是他們發(fā)現(xiàn)有缺陷的/彎曲的石墨烯等材料非常適合做電池陽極，因為它們的能線圖允許吸附更多的鋰離子。
劉元月表示：“通過描述符等，我們可以快速評估材料的性能，而無需進行電化學實驗或者昂貴的計算?！?
相關研究論文發(fā)表在《物理評論快報》，由勞倫斯利弗莫爾實驗室的Bandon Wood和萊斯大學理論物理學家Boris Yakobson擔任科研小組負責人。（中國儲能網(wǎng)獨家編譯）
