普罗维登斯，罗德岛 布朗大学（Brown University）——当谈到制造更持久的电池时，包括布朗大学和爱达荷州国家实验室工程师在内的一组研究人员认为，关键可能在于如何让事情变得干净——特别是肥皂在这个过程中是如何工作的。
以洗手为例。当有人用肥皂洗手时，肥皂会形成称为胶束的结构，当用水冲洗时，它会捕获并去除油脂、污垢和细菌。肥皂之所以这样做，是因为它充当了水和被清洗物之间的桥梁，将它们结合在一起并将它们包裹在这些胶束结构中。
在进行一项发表在《自然材料》杂志上的新研究中，研究人员注意到，类似的过程在已成为设计更持久锂电池的最有前途的物质之一中发挥作用 – 一种称为局部高浓度电解质的新型电解质。他们在论文中认为，这种对这一过程如何运作的新理解可能是在这个新兴技术领域完全打开大门的缺失部分。
“从大局来看，我们希望改善和提高电池的能量密度，这意味着它们每个周期存储多少能量以及电池持续多少个周期，”布朗大学工程学院教授岳琦说。“要做到这一点，需要更换传统电池内部的材料，以使储存更多能量的长寿命电池成为现实 – 想想可以为手机供电一周或更长时间的电池，或者可以行驶500英里的电动汽车。
科学家们一直在积极努力过渡到由锂金属制成的电池，因为它们的储能容量比今天的锂离子电池高得多。保持是传统的电解质，它们是不可或缺的，因为它们允许电荷在电池的两个端子之间传递，从而引发将储存的化学能转化为电能所需的电化学反应。锂离子电池的传统电解质基本上是由溶解在液体溶剂中的低浓度盐制成的，在金属基电池中不能有效地做到这一点。
普罗维登斯，罗德岛 布朗大学（Brown University）——当谈到制造更持久的电池时，包括布朗大学和爱达荷州国家实验室工程师在内的一组研究人员认为，关键可能在于如何让事情变得干净——特别是肥皂在这个过程中是如何工作的。
以洗手为例。当有人用肥皂洗手时，肥皂会形成称为胶束的结构，当用水冲洗时，它会捕获并去除油脂、污垢和细菌。肥皂之所以这样做，是因为它充当了水和被清洗物之间的桥梁，将它们结合在一起并将它们包裹在这些胶束结构中。
在进行一项发表在《自然材料》杂志上的新研究中，研究人员注意到，类似的过程在已成为设计更持久锂电池的最有前途的物质之一中发挥作用 – 一种称为局部高浓度电解质的新型电解质。他们在论文中认为，这种对这一过程如何运作的新理解可能是在这个新兴技术领域完全打开大门的缺失部分。
“从大局来看，我们希望改善和提高电池的能量密度，这意味着它们每个周期存储多少能量以及电池持续多少个周期，”布朗大学工程学院教授岳琦说。“要做到这一点，需要更换传统电池内部的材料，以使储存更多能量的长寿命电池成为现实 – 想想可以为手机供电一周或更长时间的电池，或者可以行驶500英里的电动汽车。
科学家们一直在积极努力过渡到由锂金属制成的电池，因为它们的储能容量比今天的锂离子电池高得多。保持是传统的电解质，它们是不可或缺的，因为它们允许电荷在电池的两个端子之间传递，从而引发将储存的化学能转化为电能所需的电化学反应。锂离子电池的传统电解质基本上是由溶解在液体溶剂中的低浓度盐制成的，在金属基电池中不能有效地做到这一点。
爱达荷州国家实验室和太平洋西北国家实验室的科学家设计了局部高浓度电解质，以应对这一挑战。它们是通过将溶剂中的高浓度盐与另一种称为稀释剂的液体混合而制成的，这使得电解质流动得更好，从而可以保持电池的功率。
到目前为止，在实验室测试中，这种新型电解质已经显示出有希望的结果，但它的工作原理和原因从未被完全理解——这限制了它的有效性以及如何更好地开发它。这就是这项新研究有助于解决的问题。
“这篇论文提供了一个统一的理论来解释为什么这种电解质效果更好，对它的关键理解来自于发现在这种电解质中形成胶束状结构 – 就像它们对肥皂所做的那样，”橡树岭国家实验室的高级科学家Bin Li说。“在这里，我们看到肥皂或表面活性剂的作用是由结合稀释剂和盐的溶剂所起的，这些溶剂将自己包裹在胶束中心的较高浓度的盐周围。
通过了解这一点，研究人员能够分解电池实现最佳反应所需的比例和浓度。这应该有助于解决设计这种电解质的主要问题点之一，即为三种成分找到适当的平衡。事实上，这项工作不仅为制造具有功能的局部高浓度电解质提供了更好的指南，而且为制造更有效的电解质提供了更好的指导。
爱达荷州国家实验室的研究人员将这一理论付诸实践。这样做，他们发现到目前为止，该理论是成立的，并有助于延长锂金属电池的寿命。该团队很高兴看到他们的工作产生了哪些局部高浓度电解质的设计，但知道在克服高密度电池的电解质设计瓶颈方面仍需取得重大进展。现在，他们感到好笑的是，这个秘密可能存在于像肥皂这样平凡而日常的东西中。
“胶束的概念对于电解质来说可能是新的，但它实际上在我们的日常生活中很常见，”Qi说。“现在我们有一个理论，我们有指导方针，可以从电解质中的盐、溶剂和稀释剂中获得我们想要的相互作用，以及它们必须达到什么浓度以及如何混合它们。
这项工作由爱达荷州国家实验室的Corey M. Efaw和布朗工程学院的高级研究员Qisheng Wu领导。其他合作者包括来自博伊西州立大学、布鲁克海文国家实验室和华盛顿大学的研究人员。布朗的理论工作由美国宇航局资助，实验工作由美国能源部电池500联盟资助。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://www.brown.edu/news/2023-11-08/micelle-structures