中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗室宋波和方海平采用最新的量子分子動力學(xué)模擬技術(shù)，研究了鋰離子嵌入碳納米管束及其在碳納米管束中擴(kuò)散的動態(tài)行為。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science, 4, 1379 (2011)，IF=8.5）。

    高充電-放電效率、高容量、高可循環(huán)性的能量儲存裝置是本世紀(jì)能源問題的一個核心挑戰(zhàn)。鋰離子電池是一種廣受關(guān)注的能量儲存裝置，利用納米材料修飾的鋰電池電極被認(rèn)為能夠大大提高鋰離子電池的性能。揭示鋰離子在納米結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動規(guī)律及其機(jī)理，可以有力地推進(jìn)基于鋰離子的能量儲存方法和技術(shù)的發(fā)展。

    宋波長期從事將量子力學(xué)應(yīng)用于分子模擬的方法研究和相關(guān)源代碼開發(fā)，該項工作是首次把最新的量子分子動力學(xué)方法應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)的模擬研究。應(yīng)用新發(fā)展的模擬方法，研究人員首次觀察到鋰離子嵌入碳納米管束過程及其在碳納米管束中擴(kuò)散行為。特別是，發(fā)現(xiàn)嵌在三個碳納米管之間鋰離子受到強(qiáng)大的吸引勢后，很難離開該位置。因此，嵌入此類位置的鋰離子，在沖電-放電過程中很可能是不可逆的，這將會降低鋰離子電池的能量儲存能力。深入研究顯示，碳納米管之間的距離對鋰離子的嵌入穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。因此，該理論研究預(yù)言：合理的調(diào)控碳納米管之間的距離可以有效地提高沖電-放電過程中可逆的部分，提高充電或者放電效率，實(shí)現(xiàn)基于納米調(diào)控的高效能量儲存裝置。

    這一研究成果對揭示鋰離子嵌入碳納米管束及其在碳納米管束中擴(kuò)散的物理機(jī)制有重要意義，并且對研制高充電-放電效率的鋰離子電池有重要啟示。另外，研究所用的量子分子動力學(xué)方法具有普適性，還可以廣泛的應(yīng)用于其它納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究領(lǐng)域。

    該項研究工作由上海應(yīng)用物理所、大連理工大學(xué)和四川大學(xué)的研究人員合作完成，得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、國家科技部和上海市人民政府（通過上海超級計算中心）的共同資助。