清華新聞網(wǎng)9月20日電 二次電池的出現(xiàn)推動(dòng)了當(dāng)代科技創(chuàng)新，催生了大規(guī)模儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車(chē)等新興行業(yè)。鋰離子電池作為一種典型的儲(chǔ)能器件，已經(jīng)在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋰離子電池的實(shí)際能量密度接近上限，隨著當(dāng)代社會(huì)對(duì)高能量密度電池的新需求不斷涌現(xiàn)，迫切需要發(fā)展下一代電池體系。
鋰金屬電池具有極高的理論能量密度，是最有前途的儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。然而，鋰金屬負(fù)極的高反應(yīng)活性會(huì)導(dǎo)致電解液的分解，造成電池容量迅速下降與循環(huán)壽命縮減，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患。因此，深入挖掘電解液溶劑分解背后的原因、探究其微觀(guān)化學(xué)原理是鋰金屬電池電解液研究中極為重要的問(wèn)題。隨著以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)研究范式從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)方法向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高通量篩選轉(zhuǎn)變，為探究電解液溶劑化學(xué)規(guī)律提供了新的機(jī)遇。
清華大學(xué)化工系陳翔課題組在前期建立的離子–溶劑結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，采用大數(shù)據(jù)方法進(jìn)一步揭示了離子–溶劑化學(xué)理論的普遍規(guī)律，為先進(jìn)電解液的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了新的理論參考。為了全面分析電解液溶劑，研究者基于圖論算法建立了一個(gè)大型溶劑分子數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)所有分子進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。與純?nèi)軇┫啾龋?9%與鋰離子配位的溶劑呈現(xiàn)出較低的最低未占分子軌道（LUMO）能級(jí)，表明形成離子–溶劑結(jié)構(gòu)后，電解液還原穩(wěn)定性降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)溶劑分子的LUMO能級(jí)變化與鋰離子和溶劑的結(jié)合能、Li–O鍵長(zhǎng)等存在正相關(guān)性，并通過(guò)軌道分析深入研究LUMO能級(jí)變化的原因。
提出用于鋰離子電池電解液的可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)算法，探究了離子–溶劑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與分子結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系。具體而言，借助隨機(jī)森林與SHAP可解釋分析方法發(fā)現(xiàn)分子偶極矩和分子半徑是影響電解液溶劑分子還原穩(wěn)定性的重要描述符，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新電解液時(shí)，分子極性應(yīng)該被引起關(guān)注。因此，該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法不僅探究了電解液離子–溶劑結(jié)構(gòu)的還原穩(wěn)定性，還揭示了影響電解液還原穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，為先進(jìn)電解液分子設(shè)計(jì)提供了重要的理論參考。
電解液分子生成算法與聚類(lèi)分析
相關(guān)研究成果以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)視角下鋰電池電解液離子–溶劑結(jié)構(gòu)還原穩(wěn)定性研究”（Data-Driven Insight into the Reductive Stability of Ion–Solvent Complexes in Lithium Battery Electrolytes）為題發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）期刊上。
清華大學(xué)化工系助理研究員陳翔為文章的通訊作者，清華大學(xué)化工系2022級(jí)直博生高宇辰、2020級(jí)直博生姚楠為文章的共同第一作者，清華大學(xué)化工系2021級(jí)直博生余樂(lè)耕、懷柔實(shí)驗(yàn)室張睿、清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授為文章的共同作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、鄂爾多斯-清華大學(xué)碳中和協(xié)同創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)等的資助。清華大學(xué)高性能計(jì)算中心提供了計(jì)算資源的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08346
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
