与目前的锂离子电池相比，锂金属(Li-metal)电池在储存更多能量方面显示出巨大的潜力。例如，汽车中的锂金属电池可以行驶更多路程，而锂金属手机电池的电池寿命可能会更长。然而，锂金属电池的金属表面具有很高的活性，我们对这些反应的化学性质的了解有限。

德州农工大学化学工程系Perla Balbuena教授的团队正在使用一种量子化学方法来追踪锂金属电池内部表面发生的特定反应。这项研究最近发表在美国化学学会的《ACS应用材料与接口》期刊上。

Balbuena教授说：“我们需要了解发生了什么类型的反应，如何减慢这种反应速度，它的成分是什么，进化产物的形态又是什么，以及要了解离子和电子是如何在表面移动的。了解这些关键问题将使我们能够在不久的将来将锂金属电池商业化。” 

在制造锂金属电池时，会在阳极上形成一层薄膜，这种薄膜通常被称为固体电解质界面(SEI)。该薄膜由多种成分组成，是由电解质分解而产生的。SEI的化学成分对于确保电池的最佳性能和延长其使用寿命是至关重要的。此前，已有理论预测可以在原子和电子水平上揭示这一现象的细节。

在这项研究中，研究人员聚焦在一种聚合物上，这种聚合物是由于电池内表面的电解质反应而产生的。精确确定这种特定的聚合物反应是具有挑战性的，但对于优化SEI的性能是非常必要的。研究人员在原子水平上模拟了这种界面，并求解了精确的量子化学方程，以绘制聚合物形成反应的时间演化图。

Balbuena说：“这项研究的不同之处在于，它从微观层面的描述开始，并让系统根据化学反应中电子的重新分布来演化。有许多实验技术可以跟踪和监测反应，但它们很有挑战性。通过这个模拟，我们可以获得新的见解。我们隔离了系统中负责重要化学反应的那部分事件，然后我们跟踪这组特定的分子，并分析了电极表面那些自发发生的反应。”

该团队研究人员使用计算工具可以确定出反应过程中分子的最小能量配置和排列，从而从头到尾绘制出反应图。研究人员发现，在SEI中聚合的物质可能会对锂金属电池有益，因为它们可以帮助控制电池材料的反应性水平。这些发现说明使用计算工具有助于制造对环境更友好、寿命更长且生产成本更低的电池。

Balbuena说：“我们对研究成果感到高兴，因为它们提供了使用真实电极时可能会发生的情况的洞察力……这项研究可以推动电池朝着更环保、更高效的方向发展。我知道这项工作在10年后或会有所帮助，因为10年前，我们在锂离子电池方面做出了初步贡献，而我们的新发现有助于今天已经获得成功技术的继续发展。这是一个不断改进的循环。”（编译:Qtech）