لقد تطورت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) التي تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من الهواتف الذكية وحتى السيارات الكهربائية، بشكل ملحوظ مع التقدم التكنلوجيا وأحدث ثورة في عالمنا. الخطوة التالية في تقدم التكنولوجيا هي تطوير بطاريات أفضل لتشغيل الأجهزة الإلكترونية لفترات أطول. تتضمن إحدى التقنيات الواعدة لزيادة أداء البطارية الاستبدال الذري للأيونات الموجبة الشحنة، أو الكاتيون، في مادة الكاثود. ومع ذلك، فإن القيام بذلك بشكل منهجي لكاتيونات بديلة مختلفة لتحديد الكاتيونات المثالية تجريبيًا هو أمر معقد ومكلف، مما يترك لنا عمليات المحاكاة باعتبارها الخيار الوحيد القابل للتطبيق لتضييق نطاق الاختيارات.
أبلغت العديد من الدراسات عن تحسن عمر البطارية والاستقرار الحراري بناءً على النتائج التي توصلت إليها باستخدام نهج قائم على المحاكاة. ومع ذلك ، أدت هذه التحسينات بدورها إلى خفض قدرة تفريغ البطارية ، وهي كمية الطاقة التي يمكن أن توفرها البطارية في عملية تفريغ واحدة. نتيجة لذلك ، يجب إجراء بحث شامل عن بديل الكاتيون الذي يعزز قدرة التفريغ.
في ظل هذه الخلفية ، أجرى فريق من العلماء بقيادة البروفيسور ريو مايزونو من المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (JAIST) فحصًا شاملاً للعديد من الكاتيونات للاستبدال الجزئي للنيكل في LIB القائم على النيكل بهدف تعزيز البطارية قدرة التفريغ.
"يمكن تحديد سعة التفريغ باستخدام ملف التفريغ ، وهو الجهد االكهربى التغيير أثناء عملية التفريغ "، يوضح البروفيسور مايزونو. لقد استخدمنا حسابات المبادئ الأولى لتقييم ملفات تفريغ المواد التي بدورها تحدد قدرات تفريغها. ومع ذلك ، فإن هذه الحسابات مكلفة من الناحية الحسابية ، لذلك قمنا بدمج طرق أخرى لتضييق نطاق المرشحين لاستبدال الكاتيون. على حد علمنا ، هذه هي الدراسة الأولى التي تتنبأ بنجاح باستبدال الكاتيونات لزيادة سعة البطارية ".
تتمثل إحدى الإستراتيجيات البارزة للتنبؤ بنجاح بملف جهد التفريغ في وظيفة (SCAN) "المقيدة بشدة والمعيارية بشكل مناسب". ومع ذلك ، نظرًا لتكاليف الحوسبة الكبيرة المتضمنة ، فإن هذه الأساليب غير عملية للفحص الشامل. لذلك ، بدأ الفريق باستخدام تقنيات غير مكلفة نسبيًا مثل النظرية الوظيفية للكثافة والتوسع العنقودي لتحديد المرشحين المناسبين لاستبدال الكاتيون ثم طبق وظيفة SCAN الوظيفية على المرشحين المستنتَجين لضمان الموثوقية والدقة في تنبؤات الجهد.
كشفت عملية الفرز أنه تم الحصول على أعلى سعة تصريف عندما تم استبدال النيكل جزئياً بالبلاتين والبلاديوم في LIB القائم على النيكل. كانت هذه النتائج متوافقة مع البيانات التجريبية ، والتحقق من صحة المنهجية المقترحة.
بينما يؤكد البروفيسور مايزونو على الحاجة إلى مزيد من البحث ، فهو متفائل بشأن مستقبل عملية الفحص منخفضة التكلفة. "تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن البدائل مثل الرينيوم والأوزميوم توفر قدرات تفريغ عالية. ومع ذلك ، فإن هذه العناصر نادرة ومكلفة ، وسيكون استخدامها عمليًا أمرًا صعبًا. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة لتحقيق نفس التأثير مع استبدال أقل ، أو استبدال متعدد العناصر ، أو استبدال الأنيون ، كما يقول. "بعد قولي هذا ، ستعمل تقنيتنا الحسابية الجديدة على تسريع البحث عن المواد المثلى التي تعمل على تحسين أداء البطارية بتكاليف أقل ، مما يسمح لنا باستبدال الجزء الأكبر من كهرباء مصادر ذات بدائل خالية من الكربون ".
