锂离子电池中阳离子替代的广泛探索

从智能手机到电动汽车,锂离子电池 (LIB) 随着技术的进步而显着发展,并彻底改变了我们的世界。技术进步的下一步是开发更好的电池,为电子设备供电更长时间。一种提高电池性能的有前途的技术涉及阴极材料中带正电的离子或“阳离子”的原子取代。然而,系统地对不同的取代基阳离子进行实验以确定理想的取代基是复杂且昂贵的,这使我们只能通过模拟来缩小选择范围。

几项研究报告称,基于他们使用基于模拟的方法的发现,电池寿命和热稳定性得到改善。然而,这些改进反过来又降低了电池的放电容量,即电池在一次放电中可以提供的能量。因此,必须对提高放电容量的阳离子取代基进行广泛的研究。

在此背景下,由先进科学技术研究院 (JAIST) 的 Ryo Maezono 教授领导的一组科学家对镍基 LIB 中部分取代镍的不同阳离子进行了广泛筛选,旨在增强电池性能。放电容量。

“放电容量可以使用放电曲线来确定,放电曲线是充放电过程中的电压变化,”Maezono 教授解释说。“我们使用第一性原理计算来评估材料的放电曲线,这反过来又决定了它们的放电容量。然而,这些计算的计算成本很高,因此我们整合了其他方法来缩小阳离子置换的候选范围。尽最大努力据我们所知,这是第一项成功预测阳离子替代以增加电池容量的研究。” 这项开创性的研究已发表在最近一期的《物理化学杂志 C》上。

成功预测放电电压曲线的一个重要策略是“强约束和适当规范”(SCAN)函数。然而,由于涉及大量的计算成本,这种方法对于广泛的筛选是不切实际的。因此,该团队首先使用密度泛函理论和簇扩展等相对廉价的技术来确定合适的阳离子置换候选者,然后将 SCAN 函数应用于推断的候选者,以确保电压预测的可靠性和准确性。

筛选过程表明,在镍基锂离子电池中,当镍被铂和钯部分取代时,可获得最高的放电容量。这些结果与实验数据一致,验证了所提出的方法。

虽然 Maezono 教授强调需要进行更多研究,但他对他们低成本筛选过程的未来持乐观态度。“我们的研究结果表明,铼和锇等取代基可提供高放电容量。然而,这些元素稀少且昂贵,将它们投入实际使用将具有挑战性。需要进一步研究以实现相同的效果,同时减少取代、多元素取代,或阴离子取代,”他说。“话虽如此,我们的新型计算技术将加速寻找以较低成本提高电池性能的最佳材料,使我们能够用无碳替代品取代我们目前的大部分电源。”

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