破解溶剂难题

# 解决溶剂问题 来源：https://news.mit.edu/2026/solving-solvent-problem-sodium-metal-batteries-0804 锂离子电池是当今电动汽车和电池储能行业的主要选择，但它们含有多种关键矿物——包括锂、钴、镍和石墨——这些矿物因经济和国家安全原因被视为关键材料，因此容易受到供应链中断的影响。随着可再生能源、电气化基础设施和高功率数字技术的持续发展，市场对低成本、资源丰富且能够快速充放电的储能系统的需求日益增长。 这一需求，以及其他原因，促使一组以麻省理工学院（MIT）为基地、由电力工程卡尔·理查德·索德伯格教授（Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering）李巨（Ju Li）领导的研究人员——他同时隶属于核科学与工程系（NSE）和材料科学与工程系——开发补充性的储能解决方案。 该团队特别关注钠金属电池，因为它具有多项吸引人的特性。钠的储量大约是锂的1000倍，而且按重量计算，成本约为锂的百分之一。然而，一个关键挑战是钠金属反应性极强，这使得这类电池难以同时实现长期稳定性和快速循环。 一篇发表在*Joule*期刊上的新论文——由MIT团队的15名成员撰写，并于本周在线发表（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435126002692?via%3Dihub）——展示了如何通过为这种电池系统找到合适的电解质来解决这一难题。 ## 表现不佳的电解质 电解质是电池的三大主要组件之一，另外两个是负极（阳极）和正极（阴极）。电解质就像电池的“血液”，允许带电离子在两个电极之间移动。“电解质本应只负责传输这些离子，”李巨解释说。“它应该是一种离子导体。”但不幸的是，大多数电解质会与电极发生不必要的化学反应，这可能会极大地损害电池的稳定性。 这些“副反应”的后果可能非常严重，核科学与工程系博士后、*Joule*论文的四位主要作者之一陈威印（Weiyin Chen）表示。反应过程中产生的不溶性化合物会在电极上积累，形成阻碍离子传输的屏障，最终可能导致电池失效。 陈威印表示，直到最近，还没有用于钠金属电池的电解质能够在阳极和阴极同时完全抵抗这些有害反应，尽管这种稳定性对于可充电电池实现长循环寿命至关重要。最初的突破发生在2021年，当时李巨团队及其合作者发现了一种“磺酰胺”分子——由硫、氧和氮原子组成——当它用作溶剂时，“在锂电池的两个电极上都表现出神奇的稳定性，”李巨说。这种分子被称为DMTMSA。 基于这一发现，李巨和他的同事们开始探索相关分子是否能改善钠电池的性能。目标不仅是保持稳定性，还要实现快速充放电。如果充电太慢，可能需要一整夜才能充满；如果放电太慢，电池在需要时无法提供足够功率。 ## 溶剂如何过马路？ 陈威印用一个类比来解释这一思路：假设你需要穿过一条挤满行人的街道，就像离子从一个电极移动到另一个电极一样。“如果你背着一个贴身的小背包，而不是拖着一个笨重的带轮行李箱，你就能在人群中移动得更快，”陈威印说。 电池中也会出现类似情况：当钠离子被较小的溶剂包围时，它们可以比被较大、较笨重的溶剂包围时移动得更快。更快的离子传输能够实现更快的充放电。因此，团队的目标是找到足够小的溶剂分子，既能改善离子传输，又能保持电解质稳定性。 然而，这里有一个复杂因素——需要权衡取舍：更快的离子传输往往以牺牲电解质稳定性为代价。许多高导电性的电解质更容易与电极发生反应，从而缩短电池寿命。幸运的是，李巨说，“减小溶剂尺寸为克服这种权衡提供了新途径。” 接下来的问题是如何找到一种更小的溶剂，同时具备其他理想特性。他们采用的想法是寻找“同族”分子，李巨说，“这意味着它们属于相似的家族，并且在分子层面具有相似性。”具体来说，他们搜索了与DMTMSA相关的分子，希望找到更小但仍能保持DMTMSA那种高稳定性的候选分子。 麻省理工学院材料科学与工程系博士生许嘉伟（Chia-Wei Hsu）创建了一种AI引导的算法，在24小时内在他的计算机上设计出了10万个候选分子。随后，许嘉伟通过应用一系列技术标准（包括与DMTMSA的形状相似性和相当的电子特性），将候选范围缩小到200个。最终选出了27个覆盖全部可能性的代表性候选分子进行实验测试。 “我们在相同条件下测试了所有候选分子，以确保这是一场公平的正面对决，”陈威印说。一个明显的赢家出现了：一种名为DMFSA的溶剂，它既是最小的，也是最好的。 ## 小即是美 麦吉尔大学材料工程学副教授李镇赫（Jinhyuk Lee）并未参与这项研究，但他评价这项工作“解决了电池研究中最棘手的挑战之一：在不牺牲长期稳定性的前提下提高高充放电倍率下的电池性能。通过精心调整溶剂分子的大小，作者展示了一种新的设计策略，可能有助于实现更低成本、更高性能的电池。” 团队的工作并未止步。新一轮搜索正在进行，目标是找到更好的溶剂。这一次，方法类似，但以DMFSA（而不是更大的DMTMSA分子）作为起点。陈威印相信，他们正在发现的新溶剂最终可能带来可充电钠金属电池，将低成本、丰富的材料与快速充电和高功率性能相结合，为更广泛的储能应用打开大门。 作者们强调，这项工作的首要目标不仅是推进钠电池的发展，还要引入一种以溶剂尺寸和分子相似性为关键指引的电解质设计新方法。从这个角度来看，钠金属电池实际上是展示一种更普适设计原理的模型系统。 “由于这一概念具有广泛的适用性，”李镇赫评论道，“它的影响可能远超钠电池，并影响未来一系列储能技术的设计。” 这项工作部分得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）项目以及美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）研究生研究奖学金的资助。项目中使用的表征设备部分来自MIT.nano表征设施。