计算机模拟与试验表明，一种新型锂离子电池电解液可以含有更多的水。（照片由Shutterstock/Blackboard提供）
对于致力于制造下一代电池的科学家来说，水通常都是劲敌。例如，锂离子电池通常需要在极其干燥的环境下生产，才可以保持大量电荷。但一项新发现可能展示出了一种特殊型号的锂离子电池确实是可以保有水分的。
在电池中，离子在两个电极之间移动，以平衡在充放电过程中产生的电荷。电解液是导致这种情况发生的电池组成部分。阿贡高级电池化学家Zhengcheng（John Zhang）表示，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员根据早期的计算机模拟创建的不同电解液环境中水的详细模型，研发出一种新型电池电解液，其含水量是传统电解液的1000倍。
Zhang说：“我们一直认为水会给锂离子电池带来重大问题。然而，事实证明，我们新研制电解液的含水量比之前所知的电解液的含水量要多得多，还有助于降低电池制造成本。”
由于锂离子电池是“干电池”，只能含有微量水分，这需要特殊的制造设备。然而，通过使用由两种盐（锂盐和离子液体）组成的电解液，使更多的水分子能够稳定地被电解液吸收。
为了支持实验结果，并研究潜在的化学机制，阿贡计算机科学家Wei Jiang通过ALCF（Argonne Leadership Computing Facility）的Theta超级计算机对电极表面的电解质进行模拟试验，以获得水分子行为的图片。ALCF是美国能源部科学用户设施部门。
Jiang表示：“建模这个复杂的过程，涉及多个长度和时间尺度，需要有像Theta这样的超级计算机的能力。模拟让我们从原子尺度上了解了水是如何影响电池性能的，为我们提供了仅靠实验室实验无法实现的洞见。”
即便是微量水也会降低电池性能。这是因为水分子之间紧密联系，我们称纳米级“小水坑”，会与电解液本身发生反应，产生腐蚀性副产品，侵蚀电池。
然而，该团队在模拟中发现一种新的电解质，由锂盐和离子液体组成，可以分离和结合水，隔离单个水分子。阿贡团队的实验工作表明，这种新型电解质的含水量是目前用于电动汽车和消费电池的电解质的千倍。
根据计算机模拟显示，关键是水分子不会聚集成“小水坑”，这样就不会失去活性。
Jiang表示：“即使在电极表面，这是易受水聚集，我们的原子模拟显示，单个水分子是非常稳定的。”
通过分析电解质基质中水分子的聚集，计算机模拟确定了电解质的耐水性和电解质成分的“盐度”之间的定量关系。
Zhang表示：“在某种程度上，一种含盐的电解液能够保持水分。水分子在含盐介质中的特定浓度比范围内被不同离子捕获，使其降低反应。”
Zhang表示，该研究为电池制造商在电池制造过程中加入水提供了一条潜在途径，从而降低成本，制造环境更加友好。
用于验证的电池制造在阿贡的电池分析、建模以及原型制作（CAMP）设备中进行。
以该研究为基础的论文“An environmentally benign electrolyte for high energy lithium metal batteries”于2021年11月19日发表，刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上。
除了Zhang和Jiang，论文的其他作者还有阿贡的Qian Liu与Zhenzhen Yang。
该研究由能源部能源效率和可再生能源办公室汽车技术部资助。ALCF的计算速度通过能源部ASCR的领导计算挑战（Leadership Computing Challenge）授予。
中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译
2022.6.14
