การค้นหาอย่างกว้างขวางสำหรับการทดแทนประจุบวกในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) ขับเคลื่อนทุกสิ่งตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้า มีการพัฒนาอย่างโดดเด่นด้วยความก้าวหน้าใน เทคโนโลยี และปฏิวัติโลกของเรา ก้าวต่อไปในความก้าวหน้าของเทคโนโลยีคือการพัฒนาแบตเตอรี่ที่ดียิ่งขึ้นเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในระยะเวลานานขึ้น เทคนิคหนึ่งที่มีแนวโน้มในการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่คือการแทนที่อะตอมของไอออนที่มีประจุบวกหรือไอออนบวกในวัสดุแคโทด อย่างไรก็ตาม การดำเนินการดังกล่าวอย่างเป็นระบบสำหรับแคตไอออนทดแทนที่แตกต่างกันเพื่อกำหนดแคตไอออนที่เหมาะสมในการทดลองนั้นมีความซับซ้อนและมีราคาแพง ทำให้เราเหลือการจำลองเป็นทางเลือกเดียวที่เป็นไปได้ในการลดตัวเลือกให้แคบลง

การศึกษาหลายชิ้นได้รายงานอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นและความเสถียรทางความร้อนโดยอิงจากการค้นพบโดยใช้วิธีการจำลองสถานการณ์ อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงดังกล่าวได้ลดความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้ในการคายประจุครั้งเดียว ด้วยเหตุนี้ จึงต้องดำเนินการค้นหาอย่างละเอียดสำหรับหมู่แทนที่ของแคตไอออนที่ช่วยเพิ่มความสามารถในการปลดปล่อย

กับฉากหลังนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Prof. Ryo Maezono จากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งประเทศญี่ปุ่น (JAIST) ได้ทำการคัดกรองไอออนบวกต่างๆ เพื่อทดแทนนิกเกิลบางส่วนใน LIB ที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลัก โดยมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ ความจุจำหน่าย

“ความสามารถในการปลดปล่อยสามารถกำหนดได้โดยใช้โปรไฟล์การปลดปล่อยซึ่งก็คือ แรงดันไฟฟ้า เปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการคายประจุ” ศาสตราจารย์มาเอโซโนะอธิบาย “เราใช้การคำนวณหลักการแรกเพื่อประเมินโปรไฟล์การปล่อยของวัสดุ ซึ่งในทางกลับกัน เป็นตัวกำหนดความสามารถในการปล่อยของพวกมัน อย่างไรก็ตาม การคำนวณเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายในการประมวลผลสูง ดังนั้นเราจึงรวมวิธีอื่นๆ เพื่อจำกัดตัวเลือกผู้สมัครสำหรับการเปลี่ยนไอออนบวกให้แคบลง ตามความรู้ของเรา นี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่ทำนายการทดแทนไอออนบวกได้สำเร็จเพื่อเพิ่มความจุของแบตเตอรี่

กลยุทธ์ที่โดดเด่นสำหรับการทำนายโปรไฟล์แรงดันไฟดิสชาร์จที่ประสบความสำเร็จคือการทำงานที่ "จำกัดอย่างยิ่งและเป็นปกติ" (SCAN) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายในการคำนวณจำนวนมาก วิธีการดังกล่าวจึงไม่สามารถทำได้สำหรับการคัดกรองอย่างละเอียด ดังนั้น ทีมงานจึงเริ่มโดยใช้เทคนิคที่มีราคาค่อนข้างถูก เช่น ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นและการขยายคลัสเตอร์เพื่อระบุตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการแทนที่ไอออนบวก จากนั้นจึงนำฟังก์ชัน SCAN ไปใช้กับผู้สมัครที่อนุมานเพื่อรับรองความน่าเชื่อถือและความแม่นยำในการทำนายแรงดันไฟฟ้า

กระบวนการคัดกรองพบว่ามีความสามารถในการคายประจุสูงสุดเมื่อแทนที่นิกเกิลบางส่วนด้วยแพลตตินัมและแพลเลเดียมใน LIB ที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลัก ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับข้อมูลการทดลอง ซึ่งเป็นการตรวจสอบความถูกต้องของวิธีการที่เสนอ

ขณะที่ศ.มาเอโซโนะเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการวิจัยเพิ่มเติม เขามองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับอนาคตของกระบวนการคัดกรองด้วยต้นทุนต่ำของพวกเขา "ผลการวิจัยของเราระบุว่าสารทดแทนเช่นรีเนียมและออสเมียมมีความสามารถในการปลดปล่อยสูง อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบเหล่านี้หาได้ยากและมีราคาแพง และการนำไปใช้จริงอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผลเช่นเดียวกันกับการแทนที่น้อยกว่า การแทนที่องค์ประกอบหลายตัว หรือการแทนที่ด้วยประจุลบ” เขากล่าว “ต้องบอกว่าเทคนิคการคำนวณแบบใหม่ของเราจะเร่งการค้นหาวัสดุที่เหมาะสมที่สุดซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ด้วยต้นทุนที่ต่ำลง ทำให้เราสามารถแทนที่ส่วนใหญ่ในปัจจุบันของเรา กระแสไฟฟ้า แหล่งที่มีทางเลือกที่ปราศจากคาร์บอน”