스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 것에 전력을 공급하는 리튬 이온 배터리(LIB)는 기술 발전과 함께 눈에 띄게 발전했습니다. technology 그리고 우리 세계에 혁명을 일으켰습니다. 기술 발전의 다음 단계는 전자 장치에 더 오랜 시간 동안 전력을 공급할 수 있는 훨씬 더 나은 배터리를 개발하는 것입니다. 배터리 성능을 높이기 위한 유망한 기술 중 하나는 양극 물질에서 양으로 하전된 이온 또는 양이온을 원자로 치환하는 것입니다. 그러나 실험적으로 이상적인 양이온을 결정하기 위해 다양한 치환 양이온에 대해 체계적으로 수행하는 것은 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 선택 범위를 좁힐 수 있는 유일한 실행 가능한 옵션은 시뮬레이션뿐입니다.
여러 연구에서 시뮬레이션 기반 접근 방식을 사용한 결과에 따라 향상된 배터리 수명과 열 안정성이 보고되었습니다. 그러나 이러한 개선으로 인해 배터리가 한 번의 방전으로 공급할 수 있는 에너지 양인 배터리의 방전 용량이 낮아졌습니다. 결과적으로 방전 용량을 향상시키는 양이온 치환기에 대한 광범위한 검색이 수행되어야 합니다.
이러한 배경에서 JAIST(Japan Advanced Institute of Science and Technology)의 Ryo Maezono 교수가 이끄는 과학자 팀은 배터리 향상을 목적으로 니켈 기반 LIB에서 니켈의 부분 치환을 위한 다양한 양이온에 대한 광범위한 스크리닝을 수행했습니다. 방전 용량.
"방전 용량은 방전 프로파일을 사용하여 결정할 수 있습니다. 전압 충방전 과정에서 변화합니다.”라고 Maezono 교수는 설명합니다. “우리는 물질의 방전 프로파일을 평가하기 위해 제XNUMX원칙 계산을 사용하여 차례로 방전 용량을 결정했습니다. 그러나 이러한 계산은 계산 비용이 많이 들기 때문에 양이온 대체 후보를 좁히기 위해 다른 방법을 통합했습니다. 우리가 아는 한, 이것은 배터리 용량을 증가시키기 위한 양이온 치환을 성공적으로 예측한 최초의 연구입니다.”
방전 전압 프로파일을 성공적으로 예측하기 위한 탁월한 전략은 "강력하게 제한되고 적절하게 규범된"(SCAN) 기능입니다. 그러나 관련된 큰 컴퓨팅 비용으로 인해 이러한 방법은 광범위한 스크리닝에 비현실적입니다. 따라서 팀은 밀도 함수 이론 및 클러스터 확장과 같은 비교적 저렴한 기술을 사용하여 양이온 대체에 적합한 후보를 식별한 다음 SCAN 기능을 추론된 후보에 적용하여 전압 예측의 신뢰성과 정확성을 보장하는 것으로 시작했습니다.
스크리닝 과정에서 니켈 기반 LIB에서 니켈이 부분적으로 백금과 팔라듐으로 대체되었을 때 가장 높은 방전 용량을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실험 데이터와 일치하여 제안된 방법론을 검증했습니다.
Maezono 교수는 추가 연구가 필요하다고 강조하지만 저비용 스크리닝 프로세스의 미래에 대해서는 낙관적입니다. “우리의 발견은 레늄 및 오스뮴과 같은 치환체가 높은 방전 용량을 제공함을 나타냅니다. 그러나 이러한 요소는 드물고 비용이 많이 들고 실용화하는 것은 어려울 것입니다. 더 적은 치환, 다중 원소 치환 또는 음이온 치환으로 동일한 효과를 얻기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다"고 그는 말했다. “그렇긴 하지만, 우리의 새로운 계산 기술은 더 낮은 비용으로 배터리 성능을 개선하는 최적의 재료에 대한 검색을 가속화하여 현재의 대부분을 대체할 수 있게 해줍니다. 전기 탄소가 없는 대안이 있는 소스.”
