锂离子电池可为智能手机、电动汽车等提供动力。随着科技的进步,这种电池发生了显著的变化,并彻底改变了我们的世界。下一步需要开发更好的电池,为电子设备提供更持久的动力。提高电池性能的一种有前景技术,是在正极材料中对阳离子进行原子取代。然而,要系统地进行实验,并确定理想的不同替代基阳离子,过程复杂且成本高,只能通过模拟来缩小选择范围。

 

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(图片来源:phys.org)

 

以往研究报告过,使用基于模拟的方法,可以改善电池寿命和热稳定性。然而,这反过来会降低电池的放电容量,即电池在一次放电中所能提供的能量。因此,必须进行大量研究,以提高阳离子替代物的放电容量。

 

日本高级科学技术研究院(JAIST)的Ryo Maezono教授领导的研究团队,对不同的阳离子进行广泛筛选,以部分替代镍基锂离子电池中的镍,提升电池放电容量。Maezono教授表示:“通过放电曲线,可以确定放电容量。放电曲线是充放电过程中的电压变化。我们使用第一原理计算来评估材料的放电曲线,然而,这些计算方式成本很高,所以我们整合其它方式,来缩减阳离子替代物选项。据我们所知,这一研究首次成功预测阳离子替代物,从而提升电池容量。”

 

通过“严格约束和适当规范”(SCAN)泛函的重要策略,可以成功预测放电电压曲线。然而,由于计算成本很大,利用这种方法进行广泛筛查,是不切实际的。因此,该团队首先使用低成本技术,如密度泛函理论和团簇展开法(cluster expansion),来确定合适的阳离子替换候选项,然后将SCAN泛函应用于推断候选项,以确保预测电压的可靠性和准确性。通过筛选过程可以看出,在镍基锂离子电池中,用铂和钯部分取代镍,可以获得最佳放电容量。这些结果与实验数据一致,验证了所提出的方法。

 

研究人员强调进行深入研究的必要性,并对低成本筛查过程持乐观态度。Maezono教授表示:“结果表明,铼和锇等取代基具有很高的放电容量。然而,这些元素稀有且价格昂贵,将其投入实际应用具有挑战性。经过进一步研究,才能在少量取代、多元素取代或阴离子取代的情况下,达到同样的效果。我们的创新计算技术,将加速寻找最佳材料,以更低的成本提高电池性能,使我们能够用无碳替代品取代目前的大部分电力资源。”

 


来源:盖世汽车
作者:Elisha