盖世汽车讯 锂离子电池是当今电动汽车和电池储能系统行业的首选，但它们含有多种关键矿物——包括锂、钴、镍和石墨——极易受到供应链中断的影响。随着可再生能源、电气化基础设施和高功率数字技术的不断发展，人们对低成本、资源丰富且能够快速充放电的储能系统的需求日益增长。

正是出于这种需求以及其他原因，麻省理工学院（MIT）的一组研究人员——由核科学与工程系（NSE）和材料科学与工程系的卡尔·理查德·索德伯格电力工程（Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering）教授Ju Li领导——致力于开发互补的储能解决方案。

图片来源：麻省理工学院

该团队尤其关注钠金属电池，这种电池具有诸多吸引人的特性。钠的储量比锂丰富约1000倍，而且单位重量的成本仅为锂的百分之一左右。然而，一个关键挑战是钠金属具有极高的反应活性，这使得这类电池难以同时实现长期稳定性和快速循环。

据外媒报道，由麻省理工学院团队的15名成员撰写的一篇发表在期刊《焦耳》（Joule）上的新论文（本周在线发表）展示了如何通过为这种电池系统找到合适的电解液来解决这一难题。

电解质的不良行为

电解质是电池的三大主要组成部分之一，另外两个是负极（阳极）和正极（阴极）。电解质就像电池的“血液”，使带电离子能够在两个电极之间流动。

“电解质的作用仅仅是传输这些离子，”Li解释说，“它应该是一个离子导体。” 但不幸的是，大多数电解质会与电极发生不必要的化学反应，这会严重影响电池的稳定性。

这些“副反应”的后果可能很严重，NSE的博士后、《Joule》论文的四位主要作者之一Weiyin Chen表示。反应过程中产生的不溶性化合物会在电极上积聚，形成阻碍离子传输的屏障，最终可能导致电池失效。

Chen表示，直到最近，钠金属电池中使用的电解液都无法完全抵抗正负极发生的这些不良反应，而这种稳定性对于可充电电池实现长循环寿命至关重要。2021年，Li教授及其合作者发现了一种名为DMTMSA的分子，该分子由硫、氧和氮原子组成。Li教授指出，这种分子用作溶剂时，“在锂电池的正负极上都表现出神奇的稳定性”。

基于这一发现，Li教授及其同事着手研究相关分子是否能够改进钠电池。他们的目标不仅是保持电池的稳定性，还要实现快速充放电。如果充电速度过慢，可能需要一整夜才能充满电；如果放电速度过慢，电池在需要时就无法提供足够的功率。

溶剂是如何“过马路”的？

Chen用一个比喻来解释这个想法：假设你需要穿过一条挤满行人的街道，这很像离子从一个电极移动到另一个电极的过程。“背着一个紧贴身体的小背包，你肯定比拖着一个笨重的拉杆箱更快地穿过人群，”Chen说道。

电池中也存在类似的情况：当钠离子被较小的溶剂分子包围时，它们的移动速度比被较大、体积较大的溶剂分子包围时更快。更快的离子传输速度可以实现更快的充放电。因此，该团队的目标是找到足够小的溶剂分子，既能提高离子传输速度，又能保持电解质的稳定性。

然而，这里存在一个复杂的因素——一个需要权衡的问题：更快的离子传输速度通常会牺牲电解质的稳定性。许多高导电性电解质更容易与电极发生反应，从而缩短电池寿命。Li表示，幸运的是，对于他们的方案而言，“减小溶剂分子的尺寸为克服这一权衡提供了一条新途径。”

接下来的问题是如何找到一种尺寸更小且具有其他理想特性的溶剂。Li解释说，他们采用的思路是寻找“同源”分子，“这意味着它们属于同一家族，且分子结构相似。”他们特别寻找与DMTMSA相关的分子，希望找到尺寸更小但又能保持DMTMSA所具有的稳定性的候选分子。

麻省理工学院材料科学与工程专业的博士生Chia-Wei Hsu开发了一种人工智能引导算法，该算法在24小时内利用计算机设计了10万个候选分子。随后，Chia-Wei Hsu运用一系列技术标准——包括与DMTMSA形状的相似性以及可比拟的电子性质——将候选分子范围缩小到200个。最终，他从中选出了27个具有代表性的候选分子，涵盖了所有可能性，用于实验测试。

“我们所有测试都在相同的条件下进行，以确保公平的直接竞争，”Chen说道。最终，一个明显的赢家脱颖而出：一种名为DMFSA的溶剂，它既是最小的，也是性能最好的。

小即是美

麦吉尔大学材料工程副教授Jinhyuk Lee（并未参与这项研究）表示，这项研究“解决了电池研究中最棘手的难题之一：如何在不牺牲长期稳定性的前提下，提高电池在高充放电倍率下的性能。通过精心调整溶剂分子的大小，作者展示了一种新的设计策略，有望实现更低成本、更高性能的电池。”

该团队的研究并未止步于此。他们正在进行一项新的探索，以寻找更优的溶剂。这一次，研究方法类似，但以DMFSA（而非更大的DMTMSA分子）为起点。陈教授认为，他们发现的新型溶剂最终有望用于制造可充电钠金属电池，这种电池将低成本、储量丰富的材料与快速充电和高功率性能相结合，从而为更广泛的储能应用打开大门。

作者强调，这项工作的首要目标不仅在于推进钠电池的发展，更在于引入一种以溶剂尺寸和分子相似性为关键指导原则的新型电解液设计方法。从这个角度来看，钠金属电池可以作为展示更通用设计原则的模型系统。

“由于这一概念具有广泛的适用性，”Lee评论道，“其影响可能远远超出钠电池领域，并影响未来多种储能技术的设计。”