富士膠片公司8月1日宣布，在分子水平探明了鋰離子充電電池內(nèi)部的電解液還原和分解反應(yīng)的機(jī)理，以及電解液在電極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆膜的反應(yīng)機(jī)理。這些反應(yīng)機(jī)理很難直接觀察，此次富士膠片與日本物質(zhì)及材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）合作，共同使用超級計(jì)算機(jī)“京”進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)模擬，探明了相關(guān)機(jī)制。
鋰離子充電電池的構(gòu)造和工作原理。圖片由富士膠片提供。
通過此次研究查明的化學(xué)反應(yīng)的示意圖。圖片由富士膠片提供。
對于鋰離子充電電池的性能和安全性，電解液的還原及分解反應(yīng)、以及由電解液分解形成的SEI膜（電極表面的覆膜）的形成被認(rèn)為是“關(guān)鍵”。雖然大家都知道SEI膜的功能可通過添加微量添加劑得到顯著改善，但與SEI膜的形成相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)卻因?yàn)殡y以直接觀察而一直未能探明。
此次研究使用超級計(jì)算機(jī)“京”，在全球首次將融合了處理化學(xué)鍵變化的“第一性原理分子動力學(xué)法”與計(jì)算液體中化學(xué)反應(yīng)的“自由能計(jì)算法”融合在一起的計(jì)算技術(shù)運(yùn)用到了鋰離子充電電池中。前者是不利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、只使用基于量子力學(xué)方程式的原子間作用力的分子動力學(xué)計(jì)算方法，后者是求解動態(tài)化學(xué)反應(yīng)的激活自由能、反應(yīng)自由能及反應(yīng)路徑的方法。計(jì)算機(jī)模擬時，電解液材料使用碳酸亞乙酯（EC），添加劑使用碳酸亞乙烯酯（VC）。
經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬，最終在分子水平查明了EC和VC的還原與分解的過程、EC與VC反應(yīng)形成SEI膜的過程以及上述程中的副產(chǎn)物氣體（CO、C2H4、CO2）的產(chǎn)生情況。從而探明了被充電時在電極間移動的離子還原的電解液的分子與未被還原的添加劑的分子發(fā)生反應(yīng)、從而形成SEI膜材料的新的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。
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