锂离子电池技术是我们 21 世纪生活方式的基石之一，也是绿色能源储存的重要希望。然而，它们的开发和改进并没有跟上其他技术发展的步伐。
在一个理想的世界里，更好的电池将拥有更长的寿命、更快的充电时间、更大的容量和更低的成本。但复杂的电化学原理意味着，改善一个性能方面的调整往往会降低其他方面的性能。这在一定程度上是因为化学和材料调整的效果往往过于复杂，难以区分。
新兴的量子模拟技术有潜力解决这个问题。量子模拟在最基本的化学层面重现材料的行为。理论上，应该可以完美地理解锂离子电池及其任何调整的效果。
然而，现实情况略有不同。量子模拟由新兴的量子计算技术驱动，目前可用的计算能力有限。同时，用于此类工作的量子算法也只有几种。因此，对于电化学家来说，确定利用量子模拟最有前景的方法是困难的。
量子初创公司
多伦多量子计算初创公司 Xanadu 的 Alain Delgado 和他的同事们提出了一种方法，能够以提供最佳性能洞察的方式模拟锂离子电池性能中最具挑战性的方面。他们的工作为量子层面的新一轮工业模拟奠定了基础，这些模拟有能力提高各种材料的性能。
锂离子电池是这种方法的良好测试对象，因为它们包含各种各样的元素，在不同材料中，并在各种条件下运行。电池由正极（阴极）组成，收集电荷载流子（如电子和锂离子）；负极（阳极），通常由产生电荷载流子的碳制成；以及在两个电极之间传输离子的电解质材料。
当电池放电时，阳极的反应释放锂原子中的电子，形成锂离子。电子通过电路的外部部分流向阴极，而锂离子通过内部电解质流向阴极，在那里它们与电子结合，成为晶体结构的一部分。
当电池充电时，这个过程会逆转。
通常，阳极储存的锂比阴极多。“阴极材料是电池性能的主要限制因素，并且占电池总成本的 50% 左右，”Delgado 及其同事说。因此，对阴极的改进需求非常迫切。
任何潜在电池材料的一个良好起点是了解其平衡电压，该电压决定了电池可以储存的能量。然而，这种电压取决于阴极的原子结构以及在其内部形成的各种材料。
Delgado 及其同事以阴极材料钴酸锂 (LiCoO2) 为例，该材料在锂离子迁移时也会形成 CoO2。因此，平衡电压取决于这两种物质之间的平衡。而这又取决于每种分子的电子结构。
另一个重要特性是离子迁移率——锂离子在材料结构中移动的速度。这同样由材料的电子结构决定。
然后是阴极的热稳定性，这是一个极其复杂但很重要的特性，决定了电池的安全性。由于阴极材料通常是氧化锂，锂离子进出其中的运动会释放氧气。
同时，锂离子会形成延伸到电解质的枝晶。这会消耗锂离子，降低电池的容量。锂会发热。如果枝晶延伸到间隙，就会导致电池短路。所有这些都可能造成热失控的危险情况，并最终导致火灾。
准确理解这一切是如何发生的对电池制造商来说很重要，但这取决于材料在原子层面的确切结构。
未来的模拟
Delgado 及其同事表示，在不久的将来，量子模拟应该能够获取所有这些特性，并提出了这些计算所需的算法和计算特性。
这些计算决定了模拟中包含的每个电子的行为。然而，随着电子数量的增加，模拟的规模会呈指数级增长。因此，这成为一个重要的限制因素。
该模拟通过操纵量子系统来实现，其中每个量子比特代表一个感兴趣的量子态，例如电子的轨道态。
为了开发一种蓝图方法，Delgado 及其同事专注于一种名为硅酸铁锂 (Li2FeSiO4) 的阴极材料。该材料的晶胞由十六个原子（4 个锂原子、2 个铁原子、2 个硅原子和 8 个氧原子）和 156 个电子组成。
模拟这些电子中的每一个的行为目前已超出当今量子计算机的能力。但 Delgado 及其同事展示了如何优化计算以产生有用的预测。
结果是关于如何进行这些计算的详细蓝图，以应对未来足够强大的量子计算机能够执行它们。“据我们所知，这是首次尝试估算执行旨在对实际阴极材料进行高精度基态能量计算的量子算法所需的资源，”研究人员说。
这项有趣的工作展示了量子模拟取得了多大的进展，以及它们在不久的将来可能会如何发展。如果有什么可以借鉴的话，一个早期的成果将是更好的锂离子电池，为下一代设备提供动力。
但其意义更为深远。量子模拟预示着一个从量子层面向上设计的材料新时代，其性能将超越我们今天所能及的极限。这应该会相当令人兴奋！
参考文献：如何用容错量子计算机模拟锂离子电池的关键特性：arxiv.org/abs/2204.11890
