Lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn van stroom voorzien voor alles, van smartphones tot elektrische auto's, en zijn aanzienlijk geëvolueerd met de vooruitgang op het gebied van de technologie technologie en bracht een revolutie teweeg in onze wereld. De volgende stap in de vooruitgang van de technologie is het ontwikkelen van nog betere batterijen om elektronische apparaten gedurende langere tijd van stroom te voorzien. Eén veelbelovende techniek voor het verbeteren van de batterijprestaties omvat de atomaire vervanging van positief geladen ionen, of kationen, in het kathodemateriaal. Het is echter complex en duur om dit systematisch te doen voor verschillende substituentkationen om experimenteel de ideale kationen te bepalen, waardoor simulaties de enige haalbare optie zijn om de keuzes te beperken.
Verschillende onderzoeken hebben een verbeterde levensduur van de batterij en thermische stabiliteit gerapporteerd op basis van hun bevindingen met behulp van een op simulatie gebaseerde benadering. Dergelijke verbeteringen hebben echter op hun beurt de ontladingscapaciteit van de batterij verlaagd, wat de hoeveelheid energie is die een batterij kan leveren in een enkele ontlading. Als gevolg hiervan moet uitgebreid worden gezocht naar de kationsubstituent die de ontladingscapaciteit vergroot.
Tegen deze achtergrond voerde een team van wetenschappers onder leiding van prof. Ryo Maezono van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) een uitgebreide screening uit van verschillende kationen voor gedeeltelijke vervanging van nikkel in een op nikkel gebaseerde LIB met de bedoeling de batterij te verbeteren. afvoer capaciteit.
“De afvoercapaciteit kan worden bepaald met behulp van het afvoerprofiel, dat is de spanning veranderen tijdens het laad-ontlaadproces”, legt prof. Maezono uit. “We gebruikten eerste-principeberekeningen om de afvoerprofielen van materialen te evalueren die op hun beurt hun afvoercapaciteiten bepalen. Deze berekeningen zijn echter rekenkundig duur, dus hebben we andere methoden geïntegreerd om de kandidaten voor kationvervanging te beperken. Voor zover wij weten, is dit de eerste studie die met succes kationsubstitutie voorspelt om de batterijcapaciteit te vergroten."
Een prominente strategie voor het succesvol voorspellen van het ontladingsspanningsprofiel is de "sterk beperkt en passend genormeerd" (SCAN) functioneel. Vanwege de hoge rekenkosten die ermee gemoeid zijn, zijn dergelijke methoden echter onpraktisch voor uitgebreide screening. Het team begon dus met het gebruik van relatief goedkope technieken zoals dichtheidsfunctionaaltheorie en clusteruitbreiding om geschikte kandidaten voor kationvervanging te identificeren en paste vervolgens SCAN-functioneel toe op de afgeleide kandidaten om betrouwbaarheid en nauwkeurigheid in spanningsvoorspellingen te verzekeren.
Uit het screeningproces bleek dat de hoogste ontladingscapaciteit werd verkregen wanneer nikkel gedeeltelijk werd vervangen door platina en palladium in op nikkel gebaseerde LIB. Deze resultaten waren consistent met de experimentele gegevens, waardoor de voorgestelde methodologie werd gevalideerd.
Hoewel prof. Maezono de noodzaak van aanvullend onderzoek benadrukt, is hij optimistisch over de toekomst van hun goedkope screeningproces. "Onze bevindingen geven aan dat substituenten zoals rhenium en osmium hoge ontladingscapaciteiten bieden. Deze elementen zijn echter zeldzaam en kostbaar, en het zou een uitdaging zijn om ze in de praktijk te gebruiken. Verder onderzoek is nodig om hetzelfde effect te bereiken met minder substitutie, substitutie van meerdere elementen of anionsubstitutie”, zegt hij. “Dat gezegd hebbende, zal onze nieuwe computationele techniek de zoektocht naar optimale materialen die de batterijprestaties verbeteren tegen lagere kosten versnellen, waardoor we het grootste deel van onze huidige elektriciteit bronnen met koolstofvrije alternatieven.”
