Akıllı telefonlardan elektrikli arabalara kadar her şeye güç sağlayan lityum iyon piller (LIB'ler), teknolojideki gelişmelerle birlikte önemli ölçüde gelişti. teknoloji ve dünyamızda devrim yarattı. Teknolojinin ilerlemesindeki bir sonraki adım, elektronik cihazlara daha uzun süre güç sağlamak için daha iyi piller geliştirmektir. Pil performansını artırmaya yönelik umut verici bir teknik, katot malzemesindeki pozitif yüklü iyonların veya katyonun atomik ikamesini içerir. Bununla birlikte, ideal olanları deneysel olarak belirlemek için farklı ikame katyonları için sistematik olarak bunu yapmak karmaşık ve pahalıdır; bu da bizi, seçenekleri daraltmak için tek geçerli seçenek olarak simülasyonlarla karşı karşıya bırakır.
Çeşitli çalışmalar, simülasyon tabanlı bir yaklaşım kullanılarak elde edilen bulgulara dayanarak pil ömrünün ve termal stabilitenin arttığını bildirdi. Ancak bu tür iyileştirmeler, bir pilin tek bir deşarjda sağlayabileceği enerji miktarı olan pilin deşarj kapasitesini düşürdü. Sonuç olarak deşarj kapasitesini artıran katyon ikame edicisi için kapsamlı bir araştırma yapılması gerekmektedir.
Bu çerçevede, Japonya İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (JAIST) Prof. Ryo Maezono liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, pili geliştirmek amacıyla nikel bazlı bir LIB'de nikelin kısmi ikamesi için farklı katyonların kapsamlı bir taramasını gerçekleştirdi. boşaltma kapasitesi.
“Deşarj kapasitesi, deşarj profili kullanılarak belirlenebilir. Voltaj şarj-deşarj sürecindeki değişim” diye açıklıyor Prof. Maezono. "Malzemelerin boşaltma kapasitelerini belirleyen boşaltma profillerini değerlendirmek için birinci prensip hesaplamalarını kullandık. Ancak bu hesaplamalar hesaplama açısından maliyetli olduğundan katyon değişimi adaylarını daraltmak için başka yöntemler entegre ettik. Bildiğimiz kadarıyla bu, katyon ikamesinin pil kapasitesini artıracağını başarıyla öngören ilk çalışmadır."
Deşarj gerilimi profilini başarılı bir şekilde tahmin etmek için öne çıkan bir strateji, "güçlü bir şekilde sınırlandırılmış ve uygun şekilde normlanmış" (SCAN) fonksiyoneldir. Bununla birlikte, büyük hesaplama maliyetleri nedeniyle, bu tür yöntemler kapsamlı tarama için pratik değildir. Bu nedenle ekip, katyon değişimi için uygun adayları belirlemek amacıyla yoğunluk fonksiyonel teorisi ve küme genişletme gibi nispeten ucuz teknikler kullanmaya başladı ve daha sonra voltaj tahminlerinde güvenilirlik ve doğruluk sağlamak için çıkarım yapılan adaylara SCAN fonksiyonelliğini uyguladı.
Tarama işlemi, nikel bazlı LIB'de nikelin kısmen platin ve paladyum ile ikame edilmesi durumunda en yüksek boşaltma kapasitesinin elde edildiğini ortaya çıkardı. Bu sonuçlar, önerilen metodolojiyi doğrulayan deneysel verilerle tutarlıydı.
Prof. Maezono ek araştırmalara ihtiyaç olduğunu vurgularken, düşük maliyetli tarama sürecinin geleceği konusunda iyimser. "Bulgularımız, renyum ve osmiyum gibi ikame maddelerinin yüksek deşarj kapasiteleri sunduğunu gösteriyor. Ancak bu unsurlar nadir ve maliyetlidir ve bunları pratik kullanıma koymak zor olabilir. Daha az ikame, çoklu element ikamesi veya anyon ikamesi ile aynı etkiyi elde etmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var" diyor. "Bununla birlikte, yeni hesaplama tekniğimiz, pil performansını daha düşük maliyetlerle artıran en uygun malzeme arayışını hızlandıracak ve mevcut pillerimizin büyük kısmını değiştirmemize olanak sağlayacak. elektrik karbonsuz alternatiflere sahip kaynaklar.”
