Alimentando tudo, desde smartphones até carros elétricos, as baterias de íons de lítio (LIBs) evoluíram acentuadamente com os avanços na tecnologia. tecnologia e revolucionou nosso mundo. O próximo passo no progresso da tecnologia é desenvolver baterias ainda melhores para alimentar dispositivos eletrônicos por períodos mais longos. Uma técnica promissora para aumentar o desempenho da bateria envolve a substituição atômica de íons carregados positivamente, ou cátions, no material do cátodo. No entanto, fazê-lo sistematicamente para diferentes cátions substituintes para determinar experimentalmente os ideais é complexo e caro, deixando-nos com simulações como a única opção viável para restringir as escolhas.
Vários estudos relataram uma melhor vida útil da bateria e estabilidade térmica com base em suas descobertas usando uma abordagem baseada em simulação. No entanto, tais melhorias, por sua vez, diminuíram a capacidade de descarga da bateria, que é a quantidade de energia que uma bateria pode fornecer em uma única descarga. Como resultado, uma extensa pesquisa deve ser realizada para o substituinte do cátion que aumenta a capacidade de descarga.
Contra esse pano de fundo, uma equipe de cientistas liderada pelo Prof. Ryo Maezono do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST) conduziu uma extensa triagem de diferentes cátions para substituição parcial de níquel em um LIB à base de níquel com a intenção de aprimorar a bateria capacidade de descarga.
“A capacidade de descarga pode ser determinada usando o perfil de descarga, que é o Voltagem mudança durante o processo de carga-descarga ”, explica o Prof. Maezono. “Usamos cálculos de primeiros princípios para avaliar os perfis de descarga de materiais que, por sua vez, determinam suas capacidades de descarga. No entanto, esses cálculos são computacionalmente caros, por isso integramos outros métodos para restringir os candidatos para substituição de cátions. Até onde sabemos, este é o primeiro estudo que prevê com sucesso a substituição de cátions para aumentar a capacidade da bateria. ”
Uma estratégia proeminente para prever com sucesso o perfil de tensão de descarga é o funcional “fortemente restrito e apropriadamente normado” (SCAN). No entanto, devido aos grandes custos de computação envolvidos, tais métodos são impraticáveis para triagem extensa. Assim, a equipe começou usando técnicas relativamente baratas, como teoria funcional de densidade e expansão de cluster para identificar candidatos adequados para substituição de cátions e, em seguida, aplicou SCAN funcional aos candidatos inferidos para garantir confiabilidade e precisão nas previsões de tensão.
O processo de triagem revelou que a maior capacidade de descarga foi obtida quando o níquel foi parcialmente substituído por platina e paládio no LIB à base de níquel. Esses resultados foram consistentes com os dados experimentais, validando a metodologia proposta.
Embora o Prof. Maezono enfatize a necessidade de pesquisas adicionais, ele está otimista sobre o futuro de seu processo de triagem de baixo custo. “Nossos resultados indicam que substituintes como rênio e ósmio oferecem altas capacidades de descarga. No entanto, esses elementos são raros e caros, e colocá-los em uso prático seria um desafio. Mais estudos são necessários para alcançar o mesmo efeito com menos substituição, substituição de múltiplos elementos ou substituição de ânions ”, diz ele. “Dito isso, nossa nova técnica computacional irá acelerar a busca por materiais ideais que melhorem o desempenho da bateria a custos mais baixos, permitindo-nos substituir a maior parte do nosso atual eletricidade fontes com alternativas livres de carbono. ”
