科技日报实习记者 韩荣

电解液溶剂的氧化还原反应被认为是引起电化学储能器件长期服役过程中失效的原因之一。如何理解电解液溶剂在充放电过程中的氧化还原反应机理，对于提升器件服役寿命至关重要。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员团队针对此问题，将计算氢电极方法进行推广，以碳酸丙烯酯和炭材料为研究模板，成功建立了通过第一性原理计算预测电解液溶剂氧化还原电位的理论模型，建立了电化学储能领域对电解液氧化还原反应电位理论预测与实验验证之间的桥梁。该工作发表在国际知名期刊《储能材料》上。博士研究生易宗琳为本文第一作者，苏方远副研究员、陈成猛研究员为本文通讯作者。

据了解，电化学储能器件在工作工程中以及炭材料的前驱体以及加工、储存、运输过程不可避免地引入多种金属原子，炭材料表面的单、双空位缺陷易与这些金属原子结合，形成活性位点并提高炭材料表面的电化学反应活性。

因此，本次工作中在基底材料选择上选取了锂、钠、钾、镁、钙、铝等16种金属原子为研究对象，探究其对有机溶剂碳酸丙烯酯氧化还原反应电位的影响。

在反应电位计算上，本次工作使用广义氢电极方法计算反应电位的关键在于确定氧化还原反应中的电化学基元步骤。研究发现，由于不同种类的电化学储能器件的工作电位不同，碳酸丙烯酯氧化还原反应带来的影响也不同。

团队研究人员发现，在锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池中，锂、钠、钾、镁、钙、钛、铬、钼等金属原子可能导致碳酸丙烯酯发生氧化还原反应，降低器件寿命。在双电层电容器中，钾、钙、钛、铬、铁、钴、镍、钼等金属原子可能引发相同的问题。因此，上述金属元素的含量需要控制在很低的水平。

除此以外，团队研究人员还对氧化还原电位差异原因分析，发现金属原子和缺陷种类对碳酸丙烯酯氧化还原电位影响极大。实验中电子结构分析表明，对于过渡金属原子而言，同时与炭材料基底和氧化还原反应中间体形成稳定的化学结合导致反应活性的增大，进而导致还原反应电位的升高和氧化反应电位的降低。

陈成猛表示，通过在电化学储能体系和有机电解液体系中推广计算氢电极方法，建立了由第一性原理计算反应热力学到预测氧化还原反应平衡电极电势的理论模型，对碳酸丙烯酯氧化还原反应电位的预测与实验值高度吻合。

“该工作进一步证明计算氢电极方法可以被推广至电化学储能领域及其相关电化学反应中，对电化学反应电位进行理论预测，抑制副反应进行，进而提升电化学器件长期服役性能具有重要意义。”陈成猛说。