所有锂离子电池的核心都是一个简单的反应：在电池放电过程中，溶解在电解质溶液中的锂离子会“嵌入”固体电极。当它们脱嵌并返回电解质时，电池就会充电。

这个过程在电池的整个使用寿命期间会发生数千次。电池的发电量和充电速度取决于这一反应的发生速度。然而，人们对这一反应的确切机制以及控制其速率的因素知之甚少。

图片来源： 期刊《Science》

据外媒报道，在期刊《Science》发表的一项研究中，麻省理工学院（MIT）的研究人员测量了各种不同电池材料中的锂嵌入速率，并利用这些数据开发了一种控制该反应的新模型。该模型表明，锂嵌入受一种称为耦合离子-电子转移的过程控制，在这个过程中，电子会与锂离子一起转移到电极上。

研究人员表示，从该模型中获得的见解可以指导设计更强大、充电速度更快的锂离子电池。“我们希望通过这项研究，使反应更快、更可控，从而加快充电和放电速度，” 麻省理工学院化学工程Chevron教授、数学教授Martin Bazant说道。

新模型或许还能帮助科学家理解，为什么以某些方式调整电极和电解质能够提高能量、功率和电池寿命——而这个过程主要通过反复试验来实现。

“在这篇论文中，我们开始将不同材料和界面的反应速率观测结果统一到一个耦合电子和离子转移的插层理论中，从而巩固了之前关于反应速率的研究成果。”麻省理工学院JR East工程学教授、机械工程、材料科学与工程以及化学教授Yang Shao-Horn说道。

锂流建模

几十年来，科学家们一直假设锂离子电池电极的嵌入速率取决于锂离子从电解质扩散到电极的速度。他们认为，这一反应受巴特勒-沃尔默方程（Butler-Volmer equation）的模型控制，该方程最初是在近一个世纪前发展起来的，用于描述电化学反应过程中的电荷转移速率。

然而，当研究人员尝试测量锂嵌入速率时，他们获得的测量结果并不总是与巴特勒-沃尔默方程预测的速率一致。

此外，在不同实验室之间获得一致的测量结果一直很困难，不同的研究团队报告的同一反应的测量结果相差高达10亿倍。

在这项新研究中，麻省理工学院的研究小组使用一种电化学技术测量了锂的嵌入速率，该技术涉及向电极施加重复的短脉冲电压。

研究人员针对50多种电解质和电极组合进行了这些测量，包括常用于电动汽车电池的锂镍锰钴氧化物，以及用于大多数手机、笔记本电脑和其他便携式电子设备的电池的锂钴氧化物。

对于这些材料，测量到的速率远低于之前的报道，并且与传统的Butler-Volmer模型的预测结果不符。

研究人员利用这些数据提出了另一种关于锂嵌入电极表面机制的理论。该理论基于以下假设：为了使锂离子进入电极，电解质溶液中的电子必须同时转移到电极上。

“电化学步骤并非锂的插入（可能认为这是主要步骤），而是电子转移，目的是还原承载锂的固体材料，”Bazant说道。“锂的插入与电子的转移同时进行，两者相互促进。”

这种耦合电子离子转移（CIET）降低了发生插层反应必须克服的能垒，使其更有可能发生。CIET的数学框架使研究人员能够预测反应速率，这些预测已通过实验得到验证，并且与Butler-Volmer模型的预测结果截然不同。

更快的充电速度

在这项研究中，研究人员还表明，他们可以通过改变电解质的成分来调节嵌入速率。例如，交换不同的阴离子可以降低转移锂和电子所需的能量，从而提高该过程的效率。

Shao-Horn表示：“通过改变电解质来调节嵌入动力学，为提高反应速率、改变电极设计，从而提高电池功率和能量提供了绝佳的机会。”

Shao-Horn的实验室及其合作者一直在使用自动化实验来制作和测试数千种不同的电解质，这些电解质用于开发机器学习模型，以预测功能增强的电解质。

这些发现还可以帮助研究人员设计出充电速度更快的电池，即通过加速锂嵌入反应。另一个目标是减少电子从电极上脱落并溶解到电解质中时可能导致电池性能下降的副反应。

“如果你想理性地做到这一点，而不仅仅是通过反复试验，你需要某种理论框架来了解哪些重要的材料参数是你可以调整的，”Bazant表示。“这正是本文试图提供的。”