Las baterías de iones de litio (LIB), que alimentan todo, desde teléfonos inteligentes hasta automóviles eléctricos, han evolucionado notablemente con los avances en la tecnología y revolucionó nuestro mundo. El siguiente paso en el progreso de la tecnología es desarrollar baterías aún mejores para alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo. Una técnica prometedora para aumentar el rendimiento de la batería implica la sustitución atómica de iones, o cationes, cargados positivamente en el material del cátodo. Sin embargo, hacerlo sistemáticamente para diferentes cationes sustituyentes para determinar experimentalmente los ideales es complejo y costoso, lo que nos deja con simulaciones como la única opción viable para reducir las opciones.
Varios estudios han informado una mejor duración de la batería y estabilidad térmica en función de sus hallazgos utilizando un enfoque basado en simulación. Sin embargo, tales mejoras, a su vez, han reducido la capacidad de descarga de la batería, que es la cantidad de energía que una batería puede suministrar en una sola descarga. Como resultado, se debe realizar una búsqueda exhaustiva del sustituyente catiónico que mejora la capacidad de descarga.
En este contexto, un equipo de científicos dirigido por el profesor Ryo Maezono del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) llevó a cabo una selección exhaustiva de diferentes cationes para la sustitución parcial de níquel en un LIB a base de níquel con la intención de mejorar la batería. capacidad de descarga.
“La capacidad de descarga se puede determinar utilizando el perfil de descarga, que es el voltaje cambio durante el proceso de carga-descarga ”, explica el Prof. Maezono. “Usamos cálculos de primeros principios para evaluar los perfiles de descarga de materiales que, a su vez, determina sus capacidades de descarga. Sin embargo, estos cálculos son computacionalmente costosos, por lo que integramos otros métodos para reducir los candidatos para el reemplazo de cationes. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que predice con éxito la sustitución de cationes para aumentar la capacidad de la batería ".
Una estrategia destacada para predecir con éxito el perfil de voltaje de descarga es la función “fuertemente restringida y debidamente normalizada” (SCAN). Sin embargo, debido a los grandes costos de computación involucrados, tales métodos no son prácticos para un cribado extenso. Entonces, el equipo comenzó usando técnicas relativamente económicas como la teoría funcional de la densidad y la expansión de grupos para identificar candidatos adecuados para el reemplazo de cationes y luego aplicó SCAN funcional a los candidatos inferidos para asegurar confiabilidad y precisión en las predicciones de voltaje.
El proceso de cribado reveló que la mayor capacidad de descarga se obtuvo cuando el níquel se sustituyó parcialmente con platino y paladio en LIB a base de níquel. Estos resultados fueron consistentes con los datos experimentales, validando la metodología propuesta.
Si bien el profesor Maezono enfatiza la necesidad de investigación adicional, es optimista sobre el futuro de su proceso de selección de bajo costo. “Nuestros hallazgos indican que los sustituyentes como el renio y el osmio ofrecen altas capacidades de descarga. Sin embargo, estos elementos son raros y costosos, y ponerlos en práctica sería un desafío. Se necesitan más estudios para lograr el mismo efecto con menos sustitución, sustitución de elementos múltiples o sustitución de aniones ”, dice. “Habiendo dicho eso, nuestra novedosa técnica computacional acelerará la búsqueda de materiales óptimos que mejoren el rendimiento de la batería a menores costos, permitiéndonos reemplazar la mayor parte de nuestra electricidad fuentes con alternativas libres de carbono ".
