スマートフォンから電気自動車に至るまで、あらゆるものに電力を供給するリチウムイオン電池 (LIB) は、技術の進歩とともに著しく進化してきました。 テクノロジー そして私たちの世界に革命をもたらしました。技術の進歩における次のステップは、電子機器に長時間電力を供給するためのさらに優れたバッテリーを開発することです。電池の性能を向上させるための有望な技術の 1 つは、正極材料中の正に荷電したイオン、つまりカチオンの原子置換を含みます。しかし、理想的な置換カチオンを実験的に決定するためにさまざまな置換カチオンに対して体系的に行うことは複雑で費用がかかるため、選択肢を絞り込むための唯一の実行可能なオプションとしてシミュレーションが残されています。
いくつかの研究では、シミュレーションベースのアプローチを使用した調査結果に基づいて、バッテリー寿命と熱安定性の向上が報告されています。 しかし、そのような改善により、バッテリーの放電容量が低下しました。これは、バッテリーがXNUMX回の放電で供給できるエネルギー量です。 結果として、放電容量を高めるカチオン置換基を広範囲に検索する必要があります。
このような背景の中、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）の前園亮教授を中心とする科学者チームが、バッテリーの増強を目的として、ニッケルベースのLIBでニッケルを部分的に置換するためのさまざまなカチオンの広範なスクリーニングを実施しました。放電容量。
「放電容量は、放電プロファイルを使用して決定できます。 電圧 充放電過程で変化します」と前園教授は説明する。 「私たちは第一原理計算を使用して、材料の放電プロファイルを評価し、それが次にそれらの放電容量を決定しました。 ただし、これらの計算には計算コストがかかるため、他の方法を統合して、陽イオン置換の候補を絞り込みました。 私たちの知る限り、これは、バッテリー容量を増やすための陽イオン置換をうまく予測した最初の研究です。」
放電電圧プロファイルをうまく予測するための顕著な戦略は、「強く制約され、適切に標準化された」（SCAN）汎関数です。 ただし、関連する計算コストが大きいため、このような方法は大規模なスクリーニングには実用的ではありません。 そのため、チームは密度汎関数理論やクラスター展開などの比較的安価な手法を使用して陽イオン置換の適切な候補を特定し、次にSCAN汎関数を推定候補に適用して、電圧予測の信頼性と精度を保証しました。
スクリーニングプロセスにより、ニッケルベースのLIBでニッケルを白金およびパラジウムで部分的に置換したときに最大の放電容量が得られることが明らかになりました。 これらの結果は実験データと一致しており、提案された方法論を検証しました。
前園教授は追加の研究の必要性を強調しているが、彼は彼らの低コストのスクリーニングプロセスの将来について楽観的である。 「私たちの調査結果は、レニウムやオスミウムなどの置換基が高い放電容量を提供することを示しています。 ただし、これらの要素はまれでコストがかかるため、実用化するのは困難です。 より少ない置換、複数の元素の置換、または陰イオンの置換で同じ効果を達成するには、さらなる研究が必要です」と彼は言います。 「そうは言っても、私たちの新しい計算技術は、低コストでバッテリー性能を向上させる最適な材料の検索を加速し、現在の大部分を置き換えることを可能にします 電気 炭素を含まない代替品を備えた供給源。」
