锂空气电池论文的研究进展如何

量子对于很多人来说，可能是个高深的概念，类似于玄学一样的存在。但是最近连续不断的技术进展证明量子并不是一个没有实际应用的遥远概念，选择了正确的问题，就可以完成有非凡影响力的工作。 目前商用的电动 汽车 锂电池有磷酸铁锂电池和三元锂电池，这两种电池市场已经非常成熟，但能量密度和循环寿命也几乎达到了上限。 未来的电动 汽车 需要更高的续航里程、更快的充电速度及寿命更长的电池，如锂空气电池，其理论能量密度高达11.14kWh/kg；锂硫电池，其理论能量密度为2.6 kWh/kg。 如此高的理论能量密度极具吸引力，但是研发的难度也无比艰巨。只有清楚地了解电池内部化学反应的行为才能知道困难在什么地方，也才有可能找到解决困难的途径。 比如越来越多的研究正在使用高分辨率X射线成像技术来拍摄电池内部的结构来观察电池是如何工作的，旨在找到影响电池寿命的因素从而极大地减缓电池的衰减。 但是X射线成像技术无论分辨率多高，也无法观察到更深层次的微观结构，因此，不论是学术界还是工业界，都逐渐地将目光转向了量子技术。 早在2012年，量子电池技术的概念第一次被提出后，在这十年时间里，陆陆续续的研究证明，这不仅仅只是一个概念，而是正在逐渐变成现实。 最近，工业界有越来越多的 汽车 制造商都投入到研究量子计算中以制造更好、更便宜的电池，量子技术正在逐渐地应用于一个新的变革性行业——电动 汽车 。 如IBM 和梅赛德斯-奔驰的母公司戴姆勒公司的研究人员使用量子计算机对三个含锂分子的偶极矩进行建模，模拟了锂硫电池在运行过程中可能形成的分子的基态能量和偶极矩，以 帮助他们设计下一代锂硫电池 。 进行分子模拟的主要目的是找到化合物的基态——它最稳定的构型。这不是一项简单的任务，因为它需要模拟分子中所有粒子（例如电子）之间的相互作用。只有量子计算机可以做到这一点，它可以帮助研究人员了解电池内部复杂的分子之间的相互作用， 从而找到可以使锂硫电池稳定运行的电池化学材料。 锂空气电池比锂硫电池具有更高的能量密度，因此具有更大的潜在功率和能力。最近，现代车企正与初创公司IonQ合作，研究量子计算机如何为电动 汽车 设计先进的锂空气电池，目的是创造迄今为止在量子计算机上运行的最大的最先进的电池化学模型。 他们利用量子计算来分析和模拟超高能量密度锂空气电池的锂化合物的结构和能量，开发了新的变分量子特征求解器算法，优化用于研究锂化学。 这类算法通常用于量子化学中，例如，模拟分子的基态，即分子能量最少的基态。变分量子特征求解器实际上是混合算法，其中经典计算机完成大部分工作，而量子处理器解决传统机器难以处理的部分问题。 这种模拟分子的目的也是为了找到哪些分子可能对于电池来说是有用的，即通过对电池材料的化学分析，旨在降低锂电池的成本、提高电池的耐用性、容量、安全性和充电行为。 另外，梅赛德斯-奔驰还与另一个量子计算机研发公司Psiquantum合作，使用量子计算机来加速新型高能量密度电池的研发。 目前，新型锂离子电池的开发涉及大量的试验和错误，造成高昂的研发成本。他们使用容错量子计算来模拟当添加不同的电解质时，电解质的分子行为是怎么样的，他们证明了量子计算机可以进行高效的化学反应模拟。 使用容错量子计算，可以在数小时内模拟不可能的电解质相互作用，可以对各种候选分子执行该算法所需的资源和成本进行全面分析，以节省研发投入的资金并加速新型电池的研发。 量子技术正在被越来越多地应用到电动 汽车 电池的研发中，有望加速新型高能量密度电池的开发。

使能量密度达到现有任何电池的三倍，研究显示金属催化物在提高电池效率上起到重要作用。该校机械工程和材料科学与工程副教授YangShao-Horn表示，许多研究团队如今正致力于锂-空气电池的研究，但目前还缺乏对何种电极材料能够促进电池内部电化学反应发生的理解。Shao-Horn和其团队成员在4月1日出版的《电化学与固态快报》上报道了其研究成果，在锂-空气电池中使用金或铂金电极作为催化剂具有比单一碳电极高得多的反应活性和效率。此外，这项研究也为进一步研究寻找更佳的电极材料，如金和铂金或其他金属的合金材料或金属氧化物材料以及减少使用昂贵材料奠定基础。论文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究团队开发了一种分析电池中不同催化剂活性的方法，现在可以基于这项研究来试验多种可能的材料，以确定控制催化剂活性的物理特性，最终能够预测催化剂的反应活动。锂-空气电池原理与锂离子电池类似，而后者目前是便携式电子产品使用的主要电源，而且在电动汽车电源的竞争中也占据了领先地位。但由于锂-空气电池使用了碳基空气电极和空气流替代锂离子电池较重的传统部件，因此电池质量更轻，这也使得包括IBM和通用汽车等大企业纷纷投身于锂-空气电池技术的开发当中。但锂-空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其电力水平，可用在电动汽车或电子产品中。研究人员还需要详细研究充放电过程的化学问题，如产生了那些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。Shao-Horn坦承，目前这方面的研究还处于初级阶段，部分企业将锂-空气电池研究视之为10年期的研发项目，但这是一个非常有前景的领域，如果能够克服许多科学和工程挑战，真正实现能量密度达到目前锂离子电池的两到三倍，将能够首先应用在便携式电子产品如笔记本电脑和手机上，降低成本后更可作为电动汽车电源。该项研究受到美国能源部的资助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美国国家科学基金会也给予了支持。根据《日刊工业新闻》报道，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业正式参加美国IBMAlmaden Reseach Center正在进行的锂空气电池研究项目。按照该项目研究分工，旭化成将利用其掌握的先进膜技术，负责开发重要的有关膜部件；Central硝子负责开发新型电解液和高性能添加剂。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。