富士膠片用超級計算機“京”探明鋰電池中電解液反應過程

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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部的電解液還原和分解反應的機理，以及電解液在電極表面發生化學反應形成覆膜的反應機理。這些反應機理很難直接觀察，此次富士膠片與日本物質及材料研究機構（NIMS）合作，共同使用超級計算機“京”進行了化學反應模擬，探明了相關機制。

鋰離子充電電池的構造和工作原理。圖片由富士膠片提供。

通過此次研究查明的化學反應的示意圖。圖片由富士膠片提供。

對於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、以及由電解液分解形成的SEI膜（電極表面的覆膜）的形成被認為是“關鍵”。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膜的形成相關的化學反應卻因為難以直接觀察而一直未能探明。

此次研究使用超級計算機“京”，在全球首次將融合了處理化學鍵變化的“第一性原理分子動力學法”與計算液體中化學反應的“自由能計算法”融合在一起的計算技術運用到了鋰離子充電電池中。前者是不利用經驗參數、隻使用基於量子力學方程式的原子間作用力的分子動力學計算方法，后者是求解動態化學反應的激活自由能、反應自由能及反應路徑的方法。計算機模擬時，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）。

經過計算機模擬，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反應形成SEI膜的過程以及上述程中的副產物氣體（CO、C2H4、CO2）的產生情況。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生反應、從而形成SEI膜材料的新的化學反應機制。（日經能源環境網 供稿）