Cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện thoại thông minh đến ô tô điện, pin lithium-ion (LIB) đã phát triển rõ rệt với những tiến bộ trong công nghệ và cách mạng hóa thế giới của chúng ta. Bước tiếp theo trong tiến trình công nghệ là phát triển loại pin thậm chí còn tốt hơn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trong thời gian dài hơn. Một kỹ thuật đầy hứa hẹn để tăng hiệu suất pin liên quan đến việc thay thế nguyên tử các ion hoặc cation tích điện dương trong vật liệu cực âm. Tuy nhiên, làm như vậy một cách có hệ thống đối với các cation thay thế khác nhau để xác định các cation lý tưởng bằng thực nghiệm rất phức tạp và tốn kém, khiến chúng ta phải mô phỏng như một lựa chọn khả thi duy nhất để thu hẹp các lựa chọn.
Một số nghiên cứu đã báo cáo tuổi thọ pin được cải thiện và độ ổn định nhiệt dựa trên những phát hiện của họ bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng. Tuy nhiên, những cải tiến như vậy lại làm giảm khả năng xả của pin, tức là lượng năng lượng mà pin có thể cung cấp trong một lần xả. Do đó, phải thực hiện tìm kiếm rộng rãi nhóm thế cation làm tăng khả năng phóng điện.
Trong bối cảnh đó, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Ryo Maezono từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) dẫn đầu đã tiến hành một cuộc sàng lọc sâu rộng các cation khác nhau để thay thế một phần niken trong LIB dựa trên niken với mục đích cải thiện pin khả năng phóng điện.
“Công suất phóng điện có thể được xác định bằng cách sử dụng hồ sơ phóng điện, là Vôn Giáo sư Maezono giải thích. “Chúng tôi đã sử dụng các tính toán nguyên tắc đầu tiên để đánh giá cấu hình phóng điện của các vật liệu, từ đó xác định khả năng phóng điện của chúng. Tuy nhiên, các phép tính này tốn kém về mặt tính toán, vì vậy chúng tôi đã tích hợp các phương pháp khác để thu hẹp các ứng cử viên thay thế cation. Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là nghiên cứu đầu tiên dự đoán thành công sự thay thế cation để tăng dung lượng pin ”.
Một chiến lược nổi bật để dự đoán thành công cấu hình điện áp phóng điện là chức năng “hạn chế mạnh mẽ và được định mức thích hợp” (SCAN). Tuy nhiên, do chi phí tính toán lớn liên quan, các phương pháp như vậy không thực tế để sàng lọc rộng rãi. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách sử dụng các kỹ thuật tương đối rẻ tiền như lý thuyết hàm mật độ và mở rộng cụm để xác định các ứng viên phù hợp để thay thế cation và sau đó áp dụng chức năng SCAN cho các ứng viên được suy luận để đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác trong các dự đoán điện áp.
Quá trình sàng lọc cho thấy khả năng phóng điện cao nhất thu được khi niken được thay thế một phần bằng bạch kim và palladium trong LIB dựa trên niken. Các kết quả này phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, xác nhận phương pháp luận được đề xuất.
Trong khi GS Maezono nhấn mạnh sự cần thiết của các nghiên cứu bổ sung, ông vẫn lạc quan về tương lai của quy trình sàng lọc chi phí thấp của họ. “Những phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng các chất thay thế như khí và osmi có khả năng phóng điện cao. Tuy nhiên, những yếu tố này rất hiếm và tốn kém, và việc đưa chúng vào sử dụng thực tế sẽ là một thách thức. Ông nói rằng cần phải nghiên cứu thêm để đạt được hiệu quả tương tự với ít thay thế hơn, thay thế nhiều nguyên tố hoặc thay thế anion. “Phải nói rằng, kỹ thuật tính toán mới của chúng tôi sẽ đẩy nhanh việc tìm kiếm các vật liệu tối ưu giúp cải thiện hiệu suất pin với chi phí thấp hơn, cho phép chúng tôi thay thế phần lớn dòng điện điện các nguồn có các chất thay thế không có carbon. ”
