סוללות ליתיום-יון (LIB) התפתחו בצורה ניכרת עם התקדמות טֶכנוֹלוֹגִיָה וחולל מהפכה בעולם שלנו. השלב הבא בהתקדמות הטכנולוגיה הוא פיתוח סוללות טובות עוד יותר להפעלת מכשירים אלקטרוניים למשך זמן ארוך יותר. טכניקה מבטיחה אחת להגברת ביצועי הסוללה כוללת החלפה אטומית של יונים טעונים חיובית, או קטיון, בחומר הקתודה. עם זאת, לעשות זאת באופן שיטתי עבור קטיונים תחליפים שונים כדי לקבוע את האידיאליים בניסוי היא מורכבת ויקרה, מה שמותיר אותנו עם סימולציות כאפשרות הקיימא היחידה לצמצום האפשרויות.
מספר מחקרים דיווחו על חיי סוללה משופרים ויציבות תרמית על בסיס ממצאיהם תוך שימוש בגישה מבוססת סימולציה. עם זאת, שיפורים כאלה הורידו, בתורם, את יכולת הפריקה של הסוללה, שהיא כמות האנרגיה שסוללה יכולה לספק בפריקה אחת. כתוצאה מכך יש לבצע חיפוש מקיף אחר תחליף הקטיון המשפר את יכולת הפריקה.
על רקע זה ערך צוות מדענים בראשות פרופ 'ריו מייזונו מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה ביפן (JAIST) סינון מקיף של קטיונים שונים להחלפה חלקית של ניקל ב- LIB מבוסס ניקל במטרה לשפר את הסוללה. יכולת פריקה.
"ניתן לקבוע את יכולת הפריקה באמצעות פרופיל הפריקה, שהוא ה- מתח שינוי בתהליך פריקת המטען ", מסביר פרופ 'מייזונו. "השתמשנו בחישובי עקרונות ראשונים כדי להעריך את פרופילי הפריקה של חומרים, שבתורם, קובעים את יכולות הפריקה שלהם. עם זאת, חישובים אלה הם יקרים מבחינה חישובית, ולכן שילבנו שיטות אחרות כדי לצמצם את המועמדים להחלפת קטיון. למיטב ידיעתנו, זהו המחקר הראשון שחוזה בהצלחה החלפת קטיון להגדלת קיבולת הסוללה. "
אסטרטגיה בולטת לחיזוי בהצלחה של פרופיל מתח הפריקה היא פונקציונליות "מוגבלת מאוד ונורמלית כראוי" (SCAN). עם זאת, בשל עלויות המחשוב הגדולות הכרוכות בכך, שיטות כאלה אינן מעשיות לסינון נרחב. לכן, הצוות התחיל להשתמש בטכניקות זולות יחסית כמו תיאוריית תפקוד צפיפות והרחבת אשכולות כדי לזהות מועמדים מתאימים להחלפת קטיון ואז יישם פונקציונליות SCAN על המועמדים שהוסרו כדי להבטיח אמינות ודיוק בתחזיות המתח.
תהליך הסינון גילה כי יכולת הפריקה הגבוהה ביותר הושגה כאשר ניקל הוחלף חלקית בפלטינה ופלדיום ב- LIB מבוסס ניקל. תוצאות אלו היו עקביות עם נתוני הניסוי, ואישרו את המתודולוגיה המוצעת.
בעוד שפרופ 'מייזונו מדגיש את הצורך במחקר נוסף, הוא אופטימי לגבי העתיד של תהליך המיון הזול שלהם. "הממצאים שלנו מצביעים על כך שתחליפים כמו רניום ואוסמיום מציעים יכולות פריקה גבוהות. עם זאת, אלמנטים אלה הם נדירים ויקרים, והשימוש בהם לשימוש מעשי יהיה מאתגר. יש צורך במחקר נוסף כדי להשיג את אותו האפקט עם פחות החלפה, החלפת אלמנטים מרובים או החלפת אניונים, "הוא אומר. "עם זאת, הטכניקה החישובית החדשה שלנו תאיץ את החיפוש אחר חומרים אופטימליים המשפרים את ביצועי הסוללה בעלויות נמוכות יותר, ומאפשרים לנו להחליף את עיקר הנוכחי שלנו. חשמל מקורות עם חלופות ללא פחמן. "
