Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die alles von Smartphones bis hin zu Elektroautos antreiben, haben sich mit den Fortschritten in der Technologie deutlich weiterentwickelt Technologie und unsere Welt revolutioniert. Der nächste Schritt im technologischen Fortschritt ist die Entwicklung noch besserer Batterien, um elektronische Geräte über einen längeren Zeitraum mit Strom zu versorgen. Eine vielversprechende Technik zur Steigerung der Batterieleistung ist die atomare Substitution positiv geladener Ionen oder Kationen im Kathodenmaterial. Allerdings ist es komplex und teuer, dies systematisch für verschiedene Substituentenkationen durchzuführen, um die idealen experimentell zu bestimmen, sodass uns Simulationen als einzige praktikable Option zur Eingrenzung der Auswahlmöglichkeiten bleiben.
Mehrere Studien haben aufgrund ihrer Ergebnisse mit einem simulationsbasierten Ansatz von einer verbesserten Batterielebensdauer und thermischen Stabilität berichtet. Solche Verbesserungen haben jedoch wiederum die Entladekapazität der Batterie verringert, d. h. die Energiemenge, die eine Batterie bei einer einzigen Entladung liefern kann. Als Ergebnis muss eine umfangreiche Suche nach dem Kationensubstituenten durchgeführt werden, der die Entladekapazität erhöht.
Vor diesem Hintergrund führte ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Prof. Ryo Maezono vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ein umfangreiches Screening verschiedener Kationen auf die teilweise Substitution von Nickel in einer nickelbasierten LIB durch, um die Batterie zu verbessern Entladungskapazität.
„Die Abflusskapazität lässt sich anhand des Abflussprofils bestimmen, das Spannung während des Lade-Entlade-Prozesses verändern“, erklärt Prof. Maezono. „Wir haben First-Principles-Berechnungen verwendet, um die Austragsprofile von Materialien zu bewerten, die wiederum ihre Austragskapazitäten bestimmen. Da diese Berechnungen jedoch rechenintensiv sind, haben wir andere Methoden integriert, um die Kandidaten für den Kationenersatz einzugrenzen. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die erfolgreich eine Kationensubstitution zur Erhöhung der Batteriekapazität vorhersagt.“
Eine prominente Strategie zur erfolgreichen Vorhersage des Entladungsspannungsprofils ist das „strongly Constrained and Adjustment Normed“ (SCAN)-Funktional. Aufgrund der damit verbundenen hohen Rechenkosten sind solche Verfahren jedoch für ein umfangreiches Screening unpraktisch. Daher begann das Team mit relativ kostengünstigen Techniken wie der Dichtefunktionaltheorie und der Clusterexpansion, um geeignete Kandidaten für den Kationenersatz zu identifizieren, und wendete dann das SCAN-Funktional auf die abgeleiteten Kandidaten an, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Spannungsvorhersagen sicherzustellen.
Der Screening-Prozess ergab, dass die höchste Entladekapazität erreicht wurde, wenn Nickel in Nickel-basierten LIB teilweise durch Platin und Palladium ersetzt wurde. Diese Ergebnisse stimmten mit den experimentellen Daten überein und bestätigten die vorgeschlagene Methodik.
Während Prof. Maezono den Bedarf an zusätzlicher Forschung betont, ist er optimistisch, was die Zukunft ihres kostengünstigen Screening-Verfahrens angeht. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Substituenten wie Rhenium und Osmium hohe Entladekapazitäten bieten. Diese Elemente sind jedoch selten und teuer, und ihre praktische Verwendung wäre eine Herausforderung. Weitere Studien sind erforderlich, um den gleichen Effekt mit weniger Substitution, Mehrfachelementsubstitution oder Anionensubstitution zu erzielen“, sagt er. „Unsere neuartige Rechentechnik wird jedoch die Suche nach optimalen Materialien beschleunigen, die die Batterieleistung bei geringeren Kosten verbessern, und es uns ermöglichen, den Großteil unseres Stroms zu ersetzen.“ Strom Quellen mit kohlenstofffreien Alternativen.“
