近期，北京大學(xué)新材料學(xué)院鄭家新副教授課題組與深圳屹艮科技合作，開發(fā)了耦合電荷的矩張量勢(shì)（Moment Tensor Potential with Charge, QMTP）模型，并基于該模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰金屬負(fù)極界面上發(fā)生的電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的分子尺度動(dòng)態(tài)解析。該研究揭示了鋰金屬與電解液界面耦合過程的動(dòng)態(tài)機(jī)制（特別是電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵作用），并提出基于電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)調(diào)控的界面設(shè)計(jì)新策略。相關(guān)研究成果以“Unraveling charge effects on interface reactions and dendrite growth in lithium metal anode”為題，發(fā)表于計(jì)算材料領(lǐng)域著名期刊npj Computational Materials。

耦合電荷的矩張量勢(shì)模型示意圖

鋰金屬因其極高的理論容量（3860mAh/g）被視為下一代高比能電池理想負(fù)極材料。然而，其實(shí)際應(yīng)用面臨著嚴(yán)峻的安全風(fēng)險(xiǎn)和循環(huán)穩(wěn)定性瓶頸，問題根源均指向鋰金屬與電解液之間復(fù)雜的固-液界面行為。具體而言，界面上同步發(fā)生的鋰沉積/溶解、電解液分解及固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI）動(dòng)態(tài)重構(gòu)等多重耦合過程，使得對(duì)其反應(yīng)機(jī)制的精準(zhǔn)解析成為領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。盡管近年來通過原位表征技術(shù)（如冷凍電鏡、同步輻射XAS）和計(jì)算模擬方法已初步揭示了界面組成與結(jié)構(gòu)特征，但目前仍缺乏對(duì)界面上發(fā)生的電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的深入分析。對(duì)鋰金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用而言，精確模擬這些復(fù)雜反應(yīng)并了解它們對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)的影響至關(guān)重要。

基于QMTP模型與相場(chǎng)模型的鋰金屬界面反應(yīng)與枝晶生長(zhǎng)的多尺度模擬

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的耦合電荷矩張量勢(shì)（QMTP）模型實(shí)現(xiàn)了原子尺度相互作用的動(dòng)態(tài)追蹤，并闡明了決定這些反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移主導(dǎo)機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過多尺度模擬成功建立了界面反應(yīng)與鋰枝晶生長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，揭示了電荷轉(zhuǎn)移對(duì)界面反應(yīng)的觸發(fā)作用及其受電解液濃度影響的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，初始反應(yīng)階段更快的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)是調(diào)控枝晶生長(zhǎng)的關(guān)鍵主導(dǎo)因素。值得注意的是，高濃度電解液體系會(huì)促進(jìn)LiF等無(wú)機(jī)產(chǎn)物的生成，并形成更致密的界面堆積層。并且，與低濃度體系相比，高濃度電解液下鋰金屬負(fù)極被氧化的趨勢(shì)更強(qiáng)，這導(dǎo)致總電荷快速增加。

界面反應(yīng)與鋰枝晶生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)機(jī)制示意圖

研究團(tuán)隊(duì)通過機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)場(chǎng)與相場(chǎng)模型的多尺度耦合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰金屬負(fù)極界面反應(yīng)-枝晶生長(zhǎng)耦合機(jī)制的全面解析。研究發(fā)現(xiàn)，界面反應(yīng)對(duì)枝晶形貌具有顯著調(diào)控作用，該調(diào)控過程受鋰金屬-電解液界面電荷轉(zhuǎn)移效率的影響。此外，研究表明電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)可以被視為一種描述符，用以解釋界面上這些復(fù)雜行為背后的驅(qū)動(dòng)力。以上關(guān)于界面反應(yīng)的見解有助于在鋰金屬負(fù)極上設(shè)計(jì)和構(gòu)建穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以捕捉界面瞬時(shí)反應(yīng)，本研究通過機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)與相場(chǎng)建模的多尺度耦合，成功實(shí)現(xiàn)了界面動(dòng)態(tài)過程的原子尺度解析，展現(xiàn)出彌合這一實(shí)驗(yàn)-模擬差距的重要潛力。未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步結(jié)合AI技術(shù)發(fā)展先進(jìn)的材料計(jì)算平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)從原子尺度機(jī)制到宏觀性質(zhì)調(diào)控的直接映射。

鄭家新及深圳屹艮科技左沄興博士為本文的通訊作者，新材料學(xué)院博士研究生賴根明為本文第一作者。該研究得到了北京大學(xué)深圳研究生院AI4S交叉專項(xiàng)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金數(shù)學(xué)天元重點(diǎn)專項(xiàng)的支持。