寻找更好的电池：ENG教授使用计算模型来提高锂电池和金属电池的容量
Emily Ryan，机械工程副教授（左）和澳门威尼斯人注册网站研究生Kathy Dupre（21届）。Ryan正在使用计算机建模来探索锂电池退化的原因以及如何制造更强大的电池。Jackie Ricciardi摄
09.24.2018作者：Sarah Wells （COM ' 18）
- 锂电池中树突的生长可能导致电池退化，并可能引发危险的爆炸
- 艾米丽·瑞恩的实验室正在寻找打破树突生长和延长电池寿命的方法
- 日益上升的讨论话题：潜在的改进将有助于推动绿色和个人技术
当你的智能手机电池快没电时，你很难不感到失望。新的时候，充一次电可以使用一天甚至两天，但一两年之后，如果不充电，它只能勉强撑半天。这些轻便高效的锂离子电池是便携式技术领域的王者，能够为从智能手机到智能汽车的各种设备供电。但它们也有很大的缺点。
2013年1月，日本航空公司的一架波音787梦幻客机在波士顿洛根国际机场降落后起火，不得不撤离。美国国家运输安全委员会的一份报告发现，罪魁祸首是新车队的环保锂离子电池。或者更具体地说，它们体内生长着类似海藻的小畸形。
这些电池包括一个带正电的阴极和一个带负电的阳极，中间有液体电解质。电解质传输锂离子，锂离子与电极反应产生电子，电子通过外部电路在电极之间传输。虽然它们一开始很强大，但造成这些电池容量损失的一个主要因素——也就是电荷的强度和长度——是小而脆弱的锂枝晶，随着时间的推移，它们会在电池内部生长。如果坏了，比如手机掉在地上，电池就会失去容量，如果树突继续生长，它们就会导致电池短路并可能着火。
“你可以把它想象成一个三明治，”工程学院机械工程副教授艾米丽·瑞安说。“你得到了固体和固体之间的液体。”
Ryan在她的计算能源实验室里致力于改进下一代锂电池。她正在使用计算模型来寻找抑制树突生长和提高锂空气电池和金属电池容量的最佳方案。
她说：“特别是锂空气电池，理论上你可能会得到比锂离子电池大一个数量级的实际能量差异。”“在现实中，我们会走到这一步吗？也许不是，但如果你有这么大的潜力，这表明在获得更高能量密度的电池方面有很大的增长空间。”
上图显示了不同电解质特性下锂电池阳极表面枝晶生长的模拟。通过抑制树突生长，电池寿命更长。图片由电化学学会杂志
Ryan说，随着技术和澳门威尼斯人注册网站研究方法的进步，人们对树突问题的兴趣在过去五年中显著增加。澳门威尼斯人注册网站研究人员一直在澳门威尼斯人注册网站研究这些树突的生长和可能的抑制，通过在原子水平上的实验，在宏观水平上的大规模电池模型，以及在两者之间，以获得对这些微小结构世界的更多了解。
“在上次电化学学会会议上，每个人都在讨论这个问题，”她说。“这是一个活跃的领域，目前还没有人有一个好的答案。”
她的实验室成员几年来一直对这个问题感兴趣，并发表了大约六篇澳门威尼斯人注册这个主题的论文。她说，他们的方法的独特之处在于，他们使用计算模型在中尺度上看待这个问题。
瑞安说：“我们不是在澳门威尼斯人注册网站研究每个原子，而是在澳门威尼斯人注册网站研究含有大量原子的小体积材料。”
换个角度来看，想象一下一群蚂蚁。在原子水平上，你可以看到一只蚂蚁的关节是如何移动的，或者它的小下颚是如何举起食物的。在宏观尺度上，你也许可以看到蚁丘在哪里，但任何澳门威尼斯人注册蚂蚁如何创造蚁丘的知识都必须推断出来，因为它们太小了，看不见。但在中尺度上，你可以看到蚂蚁如何相互作用，如何合作，利用它们个人的力量一起移动，建造一个比它们大几千倍的蚁丘。
“在中尺度上，”她说，“你可以开始解决一个实际的树突生长。”
Ryan的实验室所采用的一种方法是通过模拟一种多孔材料，这种材料理论上可以在电池的电解质层中构建，从而使树突更难生长。为了在这种类似于《吃豆人》关卡的介质中生长，树突必须频繁地扭曲和转动。她的实验室的澳门威尼斯人注册网站研究表明，这样的障碍可以有效地减缓树突的生长和损伤。
她承认，这种澳门威尼斯人注册网站研究本身并不能解决树突问题，但这正是它如此值得的部分原因。她说：“我们正试图通过与团体合作来促进这些新电池的发展。”“我们与人们合作，了解基础知识，然后帮助他们进行实验、设计或选择材料。”
瑞安说，这项技术有一天可以用来为电动汽车提供动力，或者更好地调节风能和太阳能等可再生能源的收集和分配。
“在该领域，推动的是可持续能源。路上的每辆汽车、每辆公共汽车、每列火车都在燃烧化石燃料，产生温室气体。”“如果你能用电动汽车取代汽车，那就会有所帮助。在增加太阳能和风能等可再生能源的情况下，你将需要电网级存储。在晚上或者没有风的时候，我们怎么获得能量呢？如果外面阳光太充足，我们不需要那么多能量，我们怎么储存呢？所以，另一个想法是为电网级存储提供更好的电池。”
Ryan警告说，我们不应该期望这些电池在短期内广泛商业化。正如锂离子电池在上世纪八九十年代普及和接受缓慢一样，这些电池可能需要一个对其潜力足够感兴趣的大支持者来推动澳门威尼斯人注册网站研究向前发展，并将产品引入商业市场。
“会有一个特定的应用需要他们，这可能会启动它，”她预测。“我想，一旦达到这一点，你就会开始在制造和成本方面取得进步，那时你就会看到它进入市场。”
可以通过以下方式联系Sarah Wellsswells21@bu.edu．