Baterai lithium-ion (LIB) yang memberi daya pada segala hal mulai dari ponsel pintar hingga mobil listrik telah berkembang pesat seiring dengan kemajuan zaman teknologi dan merevolusi dunia kita. Langkah selanjutnya dalam kemajuan teknologi adalah mengembangkan baterai yang lebih baik untuk memberi daya pada perangkat elektronik dalam jangka waktu yang lebih lama. Salah satu teknik yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja baterai melibatkan substitusi atom ion bermuatan positif, atau kation, dalam bahan katoda. Namun, melakukan hal tersebut secara sistematis untuk kation substituen berbeda guna menentukan kation ideal secara eksperimental adalah hal yang rumit dan mahal, sehingga kita hanya bisa menggunakan simulasi sebagai satu-satunya pilihan yang tepat untuk mempersempit pilihan.
Beberapa penelitian telah melaporkan peningkatan masa pakai baterai dan stabilitas termal berdasarkan temuan mereka menggunakan pendekatan berbasis simulasi. Namun, peningkatan tersebut, pada gilirannya, menurunkan kapasitas pengosongan baterai, yang merupakan jumlah energi yang dapat disuplai oleh baterai dalam sekali pengosongan. Akibatnya, pencarian ekstensif harus dilakukan untuk substituen kation yang meningkatkan kapasitas pelepasan.
Dengan latar belakang ini, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Prof. Ryo Maezono dari Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) melakukan penyaringan ekstensif kation yang berbeda untuk substitusi parsial nikel dalam LIB berbasis nikel dengan tujuan untuk meningkatkan daya baterai. kapasitas debit.
“Kapasitas debit dapat ditentukan menggunakan profil debit, yaitu which tegangan berubah selama proses charge-discharge,” jelas Prof. Maezono. “Kami menggunakan perhitungan prinsip pertama untuk mengevaluasi profil pelepasan bahan yang, pada gilirannya, menentukan kapasitas pelepasannya. Namun, perhitungan ini mahal secara komputasi, jadi kami mengintegrasikan metode lain untuk mempersempit kandidat pengganti kation. Sejauh pengetahuan kami, ini adalah studi pertama yang berhasil memprediksi substitusi kation untuk meningkatkan kapasitas baterai.”
Strategi menonjol untuk berhasil memprediksi profil tegangan pelepasan adalah fungsi “sangat dibatasi dan dinormalkan dengan tepat” (SCAN). Namun, karena biaya komputasi yang besar, metode tersebut tidak praktis untuk penyaringan ekstensif. Jadi, tim mulai dengan menggunakan teknik yang relatif murah seperti teori fungsi kerapatan dan perluasan klaster untuk mengidentifikasi kandidat yang cocok untuk penggantian kation dan kemudian menerapkan fungsi SCAN ke kandidat yang disimpulkan untuk memastikan keandalan dan akurasi dalam prediksi tegangan.
Proses penyaringan mengungkapkan bahwa kapasitas pelepasan tertinggi diperoleh ketika nikel sebagian tersubstitusi dengan platinum dan paladium dalam LIB berbasis nikel. Hasil ini konsisten dengan data eksperimen, memvalidasi metodologi yang diusulkan.
Sementara Prof. Maezono menekankan perlunya penelitian tambahan, ia optimis tentang masa depan proses penyaringan berbiaya rendah mereka. “Temuan kami menunjukkan bahwa substituen seperti renium dan osmium menawarkan kapasitas pelepasan yang tinggi. Namun, elemen-elemen ini langka dan mahal, dan menerapkannya secara praktis akan menjadi tantangan. Diperlukan studi lebih lanjut untuk mencapai efek yang sama dengan substitusi yang lebih sedikit, substitusi beberapa elemen, atau substitusi anion, ”katanya. “Karena itu, teknik komputasi baru kami akan mempercepat pencarian bahan optimal yang meningkatkan kinerja baterai dengan biaya lebih rendah, memungkinkan kami untuk mengganti sebagian besar baterai kami saat ini. listrik sumber dengan alternatif bebas karbon.”
