阿贡国家实验室：新理论将有助于开发新型高效电极材料

阿贡国家实验室的科学家们正在结合现有的理论，形成一种更为普遍的电化学理论用以预测不明原因的电化学行为。为此，研究人员首先研究了α- 氧化锰（如图所示）材料。 测试这些材料和其他材料将有助于预测材料的行为，并告知哪些变化可以改善其性能。

图片来源：美国阿贡国家实验室

在设计和优化机械系统时，科学家们能很好地利用相关物理定律，以创建可以预测其属性和行为的计算机模型。但是，正在努力设计更好的电化学系统的科学家，仍然尚未拥有控制复杂电化学行为的综合模型。

经过对这些材料及其性质近八年的研究，美国能源部（DOE）下属的阿贡国家实验室、美国能源部国家可再生能源实验室和科罗拉多大学博尔德分校的科学家们开发出一种结合了现有理论的概念模型。从而形成了一种新的更普遍的电化学理论，用以预测以前无法解释的电化学行为。

这种被称为统一电化学带图框架（UEB）的新模型将基本电化学理论与不同背景下使用的理论（如光电化学和半导体物理学研究）相结合，以描述任何电极中出现的现象。

该研究始于对α- 氧化锰的研究，这种材料可以用于快速充放电，因此成为了某些电池的理想选择。 科学家们想要了解该材料独特性质背后的机制，以便能够对其进行改进。

阿贡国家实验室的科学家Matthias Young说：“材料的工作方式并不令人满意，但在对系统进行了大量计算之后，我们发现可以通过理论来理解这种机制。”

对其他几种材料的广泛测试帮助科学家们开发了该模型，并证明了其在预测特殊现象方面的实用性。

“该模型描述了材料的特性及其环境如何相互作用并导致变形和退化，这有助于我们预测特定环境中材料会发生什么。例如它会破裂吗？它会存储电力吗？” Young教授说道。

使用UEB的计算模型不仅使科学家能够预测材料行为，还可以告知材料的哪些变化可以改善其电学性能。

“有些模型可以做出正确的预测，但它们并没有为您提供更好的材料，这个模型为您提供了概念性的突破点，您可以通过这些突破点找出要改进的内容，以提高材料的性能。” Young教授补充说道。

由于该模型具有普遍性和基础性，因此有可能帮助科学家开发任何电极，包括用于电池、催化剂、超级电容器甚至海水淡化的电极。

Young教授说：“我们获得的东西不仅仅是其各个部分的总和，我们已经为许多不同的人做了很多精彩的工作协助，我们把这些东西整合在一起从而得到以前从未得到的信息。”