锂离子电池可以从赖斯大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室创建的理论模型中受益，该模型预测碳组分将如何作为电极发挥作用。
该模型基于用作电池阳极的材料的固有电子特性。这些包括材料的量子电容(材料吸收电荷的能力)和材料的绝对费米能级，它决定了有多少锂离子可以与电极结合。
电极结构，化学和形状的细微变化可以显着改变锂离子与其结合的强度，并影响电池的容量，电压和能量密度。研究人员发现这些特性与他们称之为“状态填充工作”的简单数量之间具有普遍的相关性，应该允许科学家对电极进行微调。
该研究发表在“ 物理评论快报”杂志上。Lawrence Livermore科学家Brandon Wood和Rice理论物理学家Boris Yakobson领导了这项研究。
随着材料科学家测试更多的二维材料(如石墨烯和纳米管)用作电极，微调变得至关重要。Yakobson说，这些材料为离子在紧凑的包装中提供了巨大的表面积。
“这项工作强调了量子电容的作用，”他说。“电池中的电容通常由电极的配置决定;人们会将其视为电极板之间的距离。
“但如果板材变得非常接近并且电极和电解质都很紧，则量子电容成为限制参数。”
“电极材料的费米水平也很重要，”该论文的第一作者，水稻研究生Yuanyue Liu说。“它越低，锂就越强。”
刘和劳伦斯利弗莫尔的工作人员科学家布兰登伍德正在寻找一种“描述符”，这一特征将捕捉锂与各种碳材料之间相互作用的基本物理特性，包括原始的，有缺陷的和应变的石墨烯，平面碳簇，纳米管，碳边缘和多层叠层。
“这个描述符被证明是'填充状态的工作' - 填补电极内先前未占用的电子状态所需的工作，”刘说。
“一般来说，描述符是一个中间属性或参数，不会给你你真正想知道的东西，但与材料的最终性能有很好的关系，”Yakobson说。
“描述符连接到可能非常复杂的属性，”他说。“例如，你可以根据身高或体重来判断人的体力。这很容易衡量。它并不能准确地告诉你这个人有多强，但它能给你一些想法。”
基于描述符，研究人员能够评估各种碳材料。具体而言，他们发现像缺陷或弯曲石墨烯这样的材料是阳极的良好候选者，因为它们的能量分布允许更多的锂离子结合。最终，他们的工作提出了一套碳阳极的约束指南。
“这些使我们能够快速评估材料性能，而无需进行电化学测试或昂贵的计算，”刘说。
“我们的描述符预测了如此多种材料的性能，这一事实令人惊讶，”伍德说。“这意味着基础物理学非常相似，即使结构，形态或化学在一个候选者与另一个候选者之间存在差异。这真的是一个非常简单和优雅的发现，可以加速设计和发现。”
Yakobson指出，这项工作符合材料基因组计划(MGI)，旨在通过提供这些工具，将速度提高一倍并降低开发先进材料的成本。今年早些时候，赖斯的乔治布朗工程学院主办了一个关于MGI倡议的研讨会，该研讨会是全国各地举办的四个研讨会之一。
Yakobson是Rice的Karl F. Hasselmann材料科学和纳米工程教授，化学教授和Richard E. Smalley纳米科学与技术研究所的成员。
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