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科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 韓榮

電解液溶劑的氧化還原反應(yīng)被認(rèn)為是引起電化學(xué)儲(chǔ)能器件長(zhǎng)期服役過(guò)程中失效的原因之一。如何理解電解液溶劑在充放電過(guò)程中的氧化還原反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于提升器件服役壽命至關(guān)重要。

近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)此問(wèn)題，將計(jì)算氫電極方法進(jìn)行推廣，以碳酸丙烯酯和炭材料為研究模板，成功建立了通過(guò)第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)電解液溶劑氧化還原電位的理論模型，建立了電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)﹄娊庖貉趸€原反應(yīng)電位理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間的橋梁。該工作發(fā)表在國(guó)際知名期刊《儲(chǔ)能材料》上。博士研究生易宗琳為本文第一作者，蘇方遠(yuǎn)副研究員、陳成猛研究員為本文通訊作者。

據(jù)了解，電化學(xué)儲(chǔ)能器件在工作工程中以及炭材料的前驅(qū)體以及加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程不可避免地引入多種金屬原子，炭材料表面的單、雙空位缺陷易與這些金屬原子結(jié)合，形成活性位點(diǎn)并提高炭材料表面的電化學(xué)反應(yīng)活性。

因此，本次工作中在基底材料選擇上選取了鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋁等16種金屬原子為研究對(duì)象，探究其對(duì)有機(jī)溶劑碳酸丙烯酯氧化還原反應(yīng)電位的影響。

在反應(yīng)電位計(jì)算上，本次工作使用廣義氫電極方法計(jì)算反應(yīng)電位的關(guān)鍵在于確定氧化還原反應(yīng)中的電化學(xué)基元步驟。研究發(fā)現(xiàn)，由于不同種類的電化學(xué)儲(chǔ)能器件的工作電位不同，碳酸丙烯酯氧化還原反應(yīng)帶來(lái)的影響也不同。

團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)，在鋰離子電池、鈉離子電池和鉀離子電池中，鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鈦、鉻、鉬等金屬原子可能導(dǎo)致碳酸丙烯酯發(fā)生氧化還原反應(yīng)，降低器件壽命。在雙電層電容器中，鉀、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鉬等金屬原子可能引發(fā)相同的問(wèn)題。因此，上述金屬元素的含量需要控制在很低的水平。

除此以外，團(tuán)隊(duì)研究人員還對(duì)氧化還原電位差異原因分析，發(fā)現(xiàn)金屬原子和缺陷種類對(duì)碳酸丙烯酯氧化還原電位影響極大。實(shí)驗(yàn)中電子結(jié)構(gòu)分析表明，對(duì)于過(guò)渡金屬原子而言，同時(shí)與炭材料基底和氧化還原反應(yīng)中間體形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)合導(dǎo)致反應(yīng)活性的增大，進(jìn)而導(dǎo)致還原反應(yīng)電位的升高和氧化反應(yīng)電位的降低。

陳成猛表示，通過(guò)在電化學(xué)儲(chǔ)能體系和有機(jī)電解液體系中推廣計(jì)算氫電極方法，建立了由第一性原理計(jì)算反應(yīng)熱力學(xué)到預(yù)測(cè)氧化還原反應(yīng)平衡電極電勢(shì)的理論模型，對(duì)碳酸丙烯酯氧化還原反應(yīng)電位的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)值高度吻合。

“該工作進(jìn)一步證明計(jì)算氫電極方法可以被推廣至電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域及其相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)中，對(duì)電化學(xué)反應(yīng)電位進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，抑制副反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而提升電化學(xué)器件長(zhǎng)期服役性能具有重要意義。”陳成猛說(shuō)。

關(guān)鍵詞： 電化學(xué)反應(yīng) 理論模型