Литий-ионные аккумуляторы (ЛИБ), обеспечивающие питание всего, от смартфонов до электромобилей, заметно эволюционировали с развитием технологий. technology и произвел революцию в нашем мире. Следующим шагом в развитии технологий является разработка еще более совершенных аккумуляторов для питания электронных устройств в течение более длительного времени. Один многообещающий метод повышения производительности батареи включает атомное замещение положительно заряженных ионов или катионов в материале катода. Однако делать это систематически для различных катионов-заместителей с целью экспериментального определения идеальных катионов сложно и дорого, поэтому моделирование остается единственным жизнеспособным вариантом для сужения выбора.
В нескольких исследованиях сообщалось об увеличении времени автономной работы и термостабильности на основе их результатов с использованием подхода, основанного на моделировании. Однако такие улучшения, в свою очередь, снизили разрядную емкость аккумулятора, то есть количество энергии, которое аккумулятор может выдать за один разряд. В результате необходимо провести обширный поиск катионного заместителя, который увеличивает разрядную емкость.
На этом фоне группа ученых во главе с профессором Рио Маэзоно из Японского передового института науки и технологий (JAIST) провела обширный скрининг различных катионов на предмет частичного замещения никеля в LIB на основе никеля с целью улучшения заряда батареи. разрядная емкость.
«Емкость разряда может быть определена с помощью профиля разряда, который напряжение изменения в процессе заряда-разряда », - объясняет профессор Маэзоно. «Мы использовали расчеты из первых принципов, чтобы оценить профили разряда материалов, которые, в свою очередь, определяют их разрядную способность. Однако эти расчеты требуют больших вычислительных ресурсов, поэтому мы интегрировали другие методы, чтобы сузить круг кандидатов на замену катионов. Насколько нам известно, это первое исследование, которое успешно предсказывает замещение катионов для увеличения емкости батареи ».
Важной стратегией для успешного прогнозирования профиля напряжения разряда является функция «строго ограниченного и надлежащим образом нормированного» (SCAN). Однако из-за больших вычислительных затрат такие методы непрактичны для обширного скрининга. Итак, команда начала с использования относительно недорогих методов, таких как теория функционала плотности и расширение кластера, для определения подходящих кандидатов для замены катионов, а затем применила функцию SCAN к предполагаемым кандидатам, чтобы гарантировать надежность и точность прогнозов напряжения.
Процесс скрининга показал, что самая высокая разрядная емкость была получена, когда никель был частично замещен платиной и палладием в LIB на основе никеля. Эти результаты согласуются с экспериментальными данными, подтверждающими предложенную методологию.
Хотя профессор Маэзоно подчеркивает необходимость дополнительных исследований, он с оптимизмом смотрит в будущее их недорогого процесса скрининга. «Наши результаты показывают, что такие заместители, как рений и осмий, обладают высокой разрядной способностью. Однако эти элементы редки и дороги, и их практическое применение было бы сложной задачей. Необходимы дальнейшие исследования для достижения того же эффекта с меньшим количеством замещений, замещения нескольких элементов или анионов », - говорит он. «При этом наша новая вычислительная техника ускорит поиск оптимальных материалов, которые улучшат характеристики батареи при меньших затратах, что позволит нам заменить большую часть наших нынешних электричество источники с безуглеродными альтернативами ».
