Menjana segala-galanya daripada telefon pintar kepada kereta elektrik, bateri litium-ion (LIB) telah berkembang dengan ketara dengan kemajuan dalam teknologi dan merevolusikan dunia kita. Langkah seterusnya dalam kemajuan teknologi ialah membangunkan bateri yang lebih baik untuk menggerakkan peranti elektronik untuk tempoh yang lebih lama. Satu teknik yang menjanjikan untuk meningkatkan prestasi bateri melibatkan penggantian atom ion bercas positif, atau kation, dalam bahan katod. Walau bagaimanapun, berbuat demikian secara sistematik untuk kation pengganti yang berbeza untuk menentukan yang ideal secara eksperimen adalah rumit dan mahal, menjadikan kami simulasi sebagai satu-satunya pilihan yang berdaya maju untuk mengecilkan pilihan.
Beberapa kajian telah melaporkan peningkatan jangka hayat bateri dan kestabilan terma berdasarkan penemuan mereka menggunakan pendekatan berasaskan simulasi. Namun, peningkatan seperti itu pada gilirannya menurunkan kapasiti pengosongan bateri, yang merupakan jumlah tenaga yang dapat dibekalkan oleh bateri dalam satu pelepasan tunggal. Akibatnya, pencarian yang luas mesti dilakukan untuk pengganti kation yang meningkatkan kapasiti pembuangan.
Dengan latar belakang ini, sepasukan saintis yang diketuai oleh Prof Ryo Maezono dari Institut Sains dan Teknologi Lanjutan Jepun (JAIST) telah melakukan pemeriksaan luas dari pelbagai kation untuk penggantian sebahagian nikel dalam LIB berasaskan nikel dengan tujuan untuk meningkatkan bateri kapasiti pelepasan.
"Kapasitas pelepasan dapat ditentukan dengan menggunakan profil pelepasan, yaitu voltan berubah semasa proses pelepasan caj, ”jelas Prof Maezono. "Kami menggunakan pengiraan prinsip pertama untuk menilai profil pelepasan bahan yang, pada gilirannya, menentukan keupayaan pembuangannya. Walau bagaimanapun, pengiraan ini sangat mahal, jadi kami menggabungkan kaedah lain untuk menyempitkan calon pengganti kation. Sepengetahuan kami, ini adalah kajian pertama yang berjaya meramalkan penggantian kation untuk meningkatkan kapasiti bateri. "
Strategi yang menonjol untuk berjaya memprediksi profil voltan pelepasan adalah "sangat terkekang dan norma yang tepat" (SCAN) berfungsi. Walau bagaimanapun, kerana kos pengkomputeran yang besar, kaedah seperti itu tidak praktikal untuk penyaringan yang luas. Oleh itu, pasukan memulakan dengan menggunakan teknik yang agak murah seperti teori fungsi kepadatan dan pengembangan kluster untuk mengenal pasti calon yang sesuai untuk penggantian kation dan kemudian menerapkan fungsi SCAN kepada calon yang disimpulkan untuk memastikan kebolehpercayaan dan ketepatan dalam ramalan voltan.
Proses penyaringan menunjukkan bahawa kapasiti pelepasan tertinggi diperoleh ketika nikel diganti sebagian dengan platinum dan paladium dalam LIB berbasis nikel. Hasil ini selaras dengan data eksperimen, mengesahkan metodologi yang dicadangkan.
Walaupun Prof Maezono menekankan perlunya penelitian tambahan, dia optimis tentang masa depan proses penyaringan kos rendah mereka. "Penemuan kami menunjukkan bahawa substituen seperti rhenium dan osmium menawarkan kapasiti pelepasan yang tinggi. Walau bagaimanapun, unsur-unsur ini jarang berlaku dan mahal, dan menjadikannya praktikal akan sangat sukar. Kajian lebih lanjut diperlukan untuk mencapai kesan yang sama dengan penggantian yang lebih sedikit, penggantian pelbagai elemen, atau penggantian anion, ”katanya. "Setelah itu, teknik komputasi baru kami akan mempercepat pencarian bahan optimum yang meningkatkan prestasi bateri dengan kos yang lebih rendah, yang memungkinkan kami mengganti sebahagian besar arus elektrik sumber dengan alternatif bebas karbon. "
