锂离子电池是当今电动汽车和电池储能系统领域的主流选择，但其生产需要锂、钴、镍和石墨等多种关键矿物。这些矿物被视为经济和国家安全的战略资源，极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扩张，市场对低成本、资源丰富、能够快速充放电的储能系统的需求日益迫切。
正是在这一背景下，麻省理工学院（MIT）的一支研究团队开始探索互补性储能解决方案。该团队由核科学与工程系（NSE）及材料科学与工程系教授朱力（Ju Li）主导，他同时担任卡尔·理查德·索德伯格动力工程教席教授。
研究团队将目光锁定在钠金属电池上。钠的储量约为锂的1000倍，每磅成本仅为锂的百分之一。然而，钠金属化学性质高度活泼，如何同时实现长期稳定性与快速充放电，一直是这类电池面临的核心挑战。
近日，学术期刊《焦耳》（Joule）发表了一篇由该团队15名成员共同撰写的论文，揭示了破解这一难题的关键：为该电池体系找到合适的电解质。
电解质的失控反应
电解质是电池的三大核心组件之一，另外两个分别是负极（阳极）和正极（阴极）。电解质就像电池的"血液"，负责在两个电极之间传导带电离子。"电解质本应只承担离子传导的任务，"朱力解释道，"它应该是一种离子导体。"然而，大多数电解质会与电极发生不必要的化学副反应，严重损害电池的稳定性。
核科学与工程系博士后、论文四位第一作者之一陈伟胤（Weiyin Chen）指出，这些"副反应"的危害不容小觑。反应生成的不溶性化合物会在电极上不断堆积，形成阻碍离子传输的屏障，最终导致电池失效。
陈伟胤表示，此前没有任何一种用于钠金属电池的电解质，能同时在阳极和阴极保持稳定，而这种双重稳定性对于延长可充电电池的循环寿命至关重要。2021年，朱力团队联合合作者取得了一项初步突破，他们发现了一种"磺酰胺"分子——由硫、氧、氮原子构成，将其用作溶剂时，"在锂电池的两个电极上都表现出神奇的稳定性"。这种分子被称为DMTMSA。
以此为基础，朱力及其同事着手探究相关分子能否改善钠电池的性能。他们的目标不仅是保持稳定性，还要实现快速充放电——充电过慢意味着整晚才能充满，放电过慢则意味着在需要时无法提供足够的功率。
溶剂分子如何"穿越人群"
陈伟胤用一个生动的比喻来说明这一思路：想象你需要穿越一条挤满行人的街道，就像离子在两个电极之间穿行。"背着一个紧贴身体的小背包，你显然比拖着一个笨重的大行李箱更容易快速穿行，"他说。
电池中的情况与此类似：当钠离子被较小的溶剂分子包围时，其移动速度比被大体积溶剂分子包围时更快，从而实现更迅速的充放电。因此，团队的目标是找到体积足够小、能够提升离子传输速率同时又不损失稳定性的溶剂分子。
然而，这里存在一个两难困境：离子传输速度越快，往往意味着电解质稳定性越差。许多高导电性电解质更容易与电极发生反应，缩短电池寿命。朱力表示，好在"缩小溶剂体积为突破这一两难困境提供了新途径"。
下一个问题是：如何找到体积更小且同时具备其他理想特性的溶剂？团队采用的思路是寻找"同族"分子，朱力解释说，"即属于相似家族、分子结构相近的化合物。"具体而言，他们在DMTMSA的相关分子中搜索，希望找到体积更小但能保留其稳定性优势的候选分子。
麻省理工学院材料科学与工程系博士生许家维（Chia-Wei Hsu）构建了一套AI辅助算法，在24小时内于计算机上设计出10万个候选分子。随后，他依据一套技术标准——包括与DMTMSA的形状相似性和可比的电子性质——将候选池缩小至200个，再从中筛选出27个覆盖全部可能性范围的代表性候选分子，进行实验验证。
"我们在完全相同的条件下对所有候选分子进行测试，以确保比较的公平性，"陈伟胤说。最终，一个名为DMFSA的溶剂脱颖而出，它既是体积最小的，也是综合表现最优异的。
小即是美
麦吉尔大学材料工程系副教授李镇赫（Jinhyuk Lee）并非该研究的参与者，他对这项工作给予了高度评价："这项研究解决了电池领域最顽固的挑战之一：在不牺牲长期稳定性的前提下，提升电池在高充放电倍率下的性能。通过精心调控溶剂分子的大小，作者展示了一种全新的设计策略，有望实现更低成本、更高性能的电池。"
研究团队的探索尚未停止。他们正在以DMFSA（而非更大的DMTMSA分子）为新起点，展开新一轮搜索，寻找性能更优的溶剂。陈伟胤相信，他们正在发现的新溶剂，未来有可能催生出兼具低成本、资源丰富与快充高功率特性的可充电钠金属电池，为更广泛的储能应用打开大门。
研究团队强调，这项工作的终极目标不仅仅是推进钠电池的发展，更重要的是建立一种以溶剂体积和分子相似性为核心指导原则的电解质设计新范式。从这个角度来看，钠金属电池只是验证这一更普遍设计原则的模型体系。
"由于这一概念具有广泛的适用性，"李镇赫评论道，"其影响将远超钠电池本身，并将推动未来各类储能技术的设计创新。"
本研究部分获得韩国国家研究基金会（由韩国政府资助）以及美国国家科学基金会研究生奖学金的支持。项目中使用的表征设备部分来自MIT.nano表征设施。
Q&A
Q1：钠金属电池和锂离子电池相比有哪些优势？
A：钠的储量约为锂的1000倍，每磅成本仅为锂的百分之一，原材料来源更丰富、价格更低廉，能有效降低对锂、钴、镍等关键矿物的依赖，减少供应链风险。钠金属电池被视为一种极具潜力的低成本补充性储能方案，尤其适合对成本敏感的大规模储能应用场景。
Q2：钠金属电池的快充问题是怎么解决的？
A：麻省理工学院团队通过缩小溶剂分子体积来提升离子传输速率。溶剂体积越小，钠离子在电极间移动越快，充放电速度也随之提升。团队利用AI算法在24小时内筛选10万个候选分子，最终找到一种名为DMFSA的溶剂，它体积最小、综合性能最优，能够同时兼顾快速充放电和电解质稳定性。
Q3：AI在这项电池研究中具体发挥了什么作用？
A：麻省理工学院博士生许家维构建了一套AI辅助算法，基于与已知优质溶剂DMTMSA在形状和电子性质上的相似性，在24小时内自动生成并设计了10万个候选溶剂分子。随后通过技术标准筛选至200个，再选出27个进行实验验证，大幅提升了新材料发现的效率。
