编者按当下能源领域发文已越来越离不开原子计算模拟，像密度泛函理论和分子动力学等原子尺度的计算建模促进了纳米尺度来设计负极材料。那么如何使用原子尺度建模来理解和优化合金化、转化和插层型三类碱金属负极并在实际生产中加以应用？下面同编辑一同欣赏一下英国萨里大学EmiliaOlsson与蔡琼教授联手中科院成会明院士的这篇AEM综述吧。

一、背景介绍

开发可替代化石燃料可持续的清洁能源技术是当今社会最紧迫的问题之一。可充电电池是有前景的清洁能源技术，它可以1)在地方和电网范围内为广泛部署各种可再生能源技术(基于太阳能、水力、风能、地热能等)提供能源存储。2)为交通系统的低碳或零碳排放的电动和混合动力汽车提供电源，和3)为各种便携式和可穿戴电子设备提供电源。碱金属(AM)离子电池(AMIB)包括锂(Li)离子电池(LIB)、钠(Na)离子电池(NIB)和钾(K)离子电池(KIB)是重要的支持电力供应和运输系统脱碳的可充电电池技术。目前主导可充电电池市场的是LIB。NIBs和KIBs被开发为更可持续的替代品和补充品，以减轻有限的和地缘政治孤立的锂资源相关挑战。

三个AMIB遵循相同的正常电池模式，但材料选择有所不同（图1）。在充电/放电期间，AM离子通过阴极（正极）和阳极（负极）之间的电解质移动。正极、电解质和负极材料都需要对控制AM离子存储和扩散的化学过程有基本的了解。与负极材料相比，在锂电池和其他锂电池之间，正极材料和电解质通常更容易转移。此外，目前能够容纳较大K+离子的材料较少，因此KIB还没有像NIB和LIB那样受到重视。为此，计算建模提供了一种优化负极材料的原子尺度方法。为了获得最佳的负极性能，该材料应具有高AM离子存储容量、快速的离子电导率、低电压、良好的电子电导率和高相稳定性，而在循环过程中不会发生大的体积变化。在研究LIB和NIB的初期考虑金属Li和Na负极，但由于金属负极和有机电解质溶剂分子之间的反应形成枝晶，因此对电池应用不安全。钾金属负极在KIB的早期研究中进行了研究，但对于具有液态电解质的锂和钠金属枝晶的形成理解也限制了其KIB负极性能。设计合适的高性能负极材料计算模型至关重要。

碱金属离子（粉红色球体）电池的示意图，采用层状阴极材料和通用阳极材料（由绿色长方体表示）。可能的负极材料已在右侧突出显示。Li、Na、K的价格数据是指各自矿石的每吨价格。

计算建模提供了对控制这些属性的原子尺度机制的独特见解，并且是材料设计中的宝贵工具。用于高效材料设计的计算建模的主要目标和优势在于它能够补充和支持实验结果和分析，解开重要的原子尺度特性和特征，以获得对仅从实验分析中难以获得的特性和机制的基本理解和测试。这允许通过负极材料的系统优化以及实验测试和细化来进行智能材料设计。

英国萨里大学EmiliaOlsson在这篇综述中，重点

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/563.html