Alimentant tout, des smartphones aux voitures électriques, les batteries lithium-ion (LIB) ont considérablement évolué avec les progrès de sans souci et a révolutionné notre monde. La prochaine étape dans le progrès technologique consiste à développer des batteries encore meilleures pour alimenter les appareils électroniques pendant de plus longues durées. Une technique prometteuse pour augmenter les performances des batteries implique la substitution atomique d’ions chargés positivement, ou cations, dans le matériau de la cathode. Cependant, le faire systématiquement pour différents cations substituants afin de déterminer expérimentalement les cations idéaux est complexe et coûteux, nous laissant avec des simulations comme seule option viable pour affiner les choix.
Plusieurs études ont rapporté une amélioration de la durée de vie de la batterie et de la stabilité thermique sur la base de leurs résultats en utilisant une approche basée sur la simulation. Cependant, de telles améliorations ont, à leur tour, réduit la capacité de décharge de la batterie, qui est la quantité d'énergie qu'une batterie peut fournir en une seule décharge. En conséquence, une recherche approfondie doit être effectuée pour le substituant cationique qui améliore la capacité de décharge.
Dans ce contexte, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Ryo Maezono du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) a effectué un criblage approfondi de différents cations pour la substitution partielle du nickel dans un LIB à base de nickel dans le but d'améliorer la batterie. capacité de décharge.
« La capacité de décharge peut être déterminée à l'aide du profil de décharge, qui est le Tension changement au cours du processus de charge-décharge », explique le professeur Maezono. « Nous avons utilisé des calculs fondés sur les premiers principes pour évaluer les profils de décharge des matériaux qui, à leur tour, déterminent leurs capacités de décharge. Cependant, ces calculs sont coûteux en temps de calcul, nous avons donc intégré d'autres méthodes pour affiner les candidats au remplacement des cations. À notre connaissance, il s'agit de la première étude qui prédit avec succès la substitution des cations pour augmenter la capacité de la batterie. »
Une stratégie importante pour prédire avec succès le profil de tension de décharge est la fonction « SCAN fortement contrainte et normée de manière appropriée ». Cependant, en raison des coûts de calcul importants impliqués, de telles méthodes ne sont pas pratiques pour un criblage étendu. Ainsi, l'équipe a commencé par utiliser des techniques relativement peu coûteuses telles que la théorie fonctionnelle de la densité et l'expansion des clusters pour identifier les candidats appropriés pour le remplacement des cations, puis a appliqué la fonction SCAN aux candidats inférés pour assurer la fiabilité et la précision des prévisions de tension.
Le processus de criblage a révélé que la capacité de décharge la plus élevée était obtenue lorsque le nickel était partiellement substitué par du platine et du palladium dans le LIB à base de nickel. Ces résultats étaient cohérents avec les données expérimentales, validant la méthodologie proposée.
Alors que le professeur Maezono insiste sur la nécessité de recherches supplémentaires, il est optimiste quant à l'avenir de leur processus de dépistage à faible coût. « Nos résultats indiquent que des substituants tels que le rhénium et l'osmium offrent des capacités de décharge élevées. Cependant, ces éléments sont rares et coûteux, et leur utilisation pratique serait difficile. Une étude plus approfondie est nécessaire pour obtenir le même effet avec moins de substitution, une substitution d'éléments multiples ou une substitution d'anions », dit-il. « Cela dit, notre nouvelle technique de calcul accélérera la recherche de matériaux optimaux qui améliorent les performances de la batterie à moindre coût, nous permettant de remplacer la majeure partie de notre électricité sources avec des alternatives sans carbone.
