重点澳门威尼斯人注册网站研究项目教员使用计算模型设计更好的电池

作者：吉娜·曼蒂卡

每次你给手机插上电源，微小的锂离子就会回到电池表面，给电池充电，或者说是充电所需的能量。但如果电池的表面不是完全平坦的，就会形成被称为树突的金属尖状生长，从而降低电池的效率，甚至更糟，会导致短路。波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员利用机器学习来澳门威尼斯人注册网站研究树突生长背后的化学和物理原理，并设计出更好的电池。

Emily Ryan是Hariri澳门威尼斯人注册网站研究所的澳门威尼斯人注册网站研究员和机械工程副教授，她开发了一个计算模型来制造更高效、可充电的锂金属电池。她实验室的澳门威尼斯人注册网站研究结果最近发表在《化学物理杂志》上。

该项目得到了哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所化学与材料科学机器学习重点澳门威尼斯人注册网站研究项目的支持，该项目旨在通过机器学习推进小分子和材料的设计和合成。“通过建模，我们可以在真实表面上提出其他具有挑战性的问题。对于电池，我们可以利用物理学来观察是什么现象导致了树突的生长，”Ryan说。

电池有三个主要部分：阳极或负极，阴极或正极，中间有一种叫做电解质的材料，它允许离子在阳极和阴极之间流动。阳极表面是离子被释放到电解液中的地方，在可充电电池中，这些颗粒在充电过程中被恢复到阳极。

可充电电池比其他形式的能源更环保，但目前它们无法储存足够的能量来满足不断增长的需求。提高效率需要改变电池阳极的设计，以防止树突生长，这很难做到，因为发生在阳极的化学和物理反应太小，即使是最好的显微镜也看不见。计算建模使澳门威尼斯人注册网站研究人员能够澳门威尼斯人注册网站研究和操纵阳极上发生的反应，以优化电池的设计。

玩弄阳极表面的物理结构是澳门威尼斯人注册网站研究人员提高电池效率的一种方法。Ryan的团队使用他们的模型来测试阳极表面不同大小的孔如何影响枝晶的生长。澳门威尼斯人注册网站研究人员发现，狭窄的空洞导致较少的枝晶生长，而宽的凹陷导致更多的枝晶生长。这表明阳极表面的几何形状可以影响枝晶的生长，进而影响电池的效率。Ryan说：“我能不能设计一个有图案的表面，让我得到我想要的东西？”设计一个更好的电池可能需要控制阳极上的缺陷，比如压痕的宽度，以提高效率。

Ryan的团队还利用他们的模型澳门威尼斯人注册网站研究了阳极表面的化学成分是如何影响枝晶生长的。如果锂金属由于裂缝或电池设计的差异而暴露在外，则表面可能具有高度反应性。澳门威尼斯人注册网站研究人员发现，反应性阻止了阳极表面更宽孔洞中的枝晶生长。然而，反应性刺激狭窄腔中的枝晶生长。这表明阳极的化学和物理成分之间的相互作用决定了枝晶的生长，并最终决定了电池的效率。“我们想让人们明白的是，了解反应性和表面性质是至关重要的，因为它们是相互关联的，”Ryan说。

Ryan澳门威尼斯人注册网站研究表面相互作用的计算方法可以用来改进其他类型的电池、燃料电池，甚至是制造工艺。然而，这些系统的效率并不意味着完美。正如澳门威尼斯人注册网站研究人员的澳门威尼斯人注册网站研究中所举的例子，一些“不完美”实际上可以使系统更有效率。“我们永远不可能得到一个完美的表面，”Ryan说，“但是我们可以设计一个带有特定缺陷的表面来控制生长吗？”

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