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?研究人員廣泛尋找鋰電池中的陽離子替代物

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年12月20日  

從智能手機(jī)到電動汽車,鋰離子電池(LIBs)為一切提供動力,隨著技術(shù)的進(jìn)步,鋰離子電池有了明顯的發(fā)展,徹底改變了我們的世界。技術(shù)進(jìn)步的下一步是開發(fā)更好的電池,為電子設(shè)備提供更持久的動力。提高電池性能的一個有前途的技術(shù)涉及到正極材料中正電離子或"陽離子"的原子替代。然而,對不同的陽離子進(jìn)行系統(tǒng)化的實驗以確定理想的陽離子是復(fù)雜而昂貴的,這使我們不得不將模擬作為縮小選擇范圍的唯一可行的選擇。


一些研究報告說,基于他們使用基于模擬的方法的發(fā)現(xiàn),電池的壽命和熱穩(wěn)定性得到了改善。然而,這種改進(jìn)反過來又降低了電池的放電容量,也就是電池在一次放電中可以提供的能量。因此,必須廣泛尋找能提高放電容量的陽離子取代物。


在此背景下,由日本科學(xué)與技術(shù)高級研究所(JAIST)的RyoMaezono教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊對不同的陽離子進(jìn)行了廣泛的篩選,以便在鎳基LIB中部分替代鎳,從而提高電池的放電容量。


"放電能力可以通過放電曲線來確定,即充放電過程中的電壓變化,"Maezono教授解釋說。"我們使用第一原理計算來評估材料的放電曲線,這反過來又決定了它們的放電能力。然而,這些計算的計算成本很高,所以我們整合了其他方法來縮小陽離子替代的候選對象。據(jù)我們所知,這是第一項成功預(yù)測陽離子替代以增加電池容量的研究"。這項突破性的研究已經(jīng)發(fā)表在最近一期的《物理化學(xué)雜志C》上。


成功預(yù)測放電電壓曲線的一個突出策略是"強(qiáng)約束和適當(dāng)規(guī)范"(SCAN)函數(shù)。然而,由于涉及大量的計算成本,這種方法對于廣泛的篩選是不切實際的。因此,研究小組開始使用相對便宜的技術(shù),如密度泛函理論和集群擴(kuò)展,以確定合適的陽離子替代候選物,然后將SCAN函數(shù)應(yīng)用于推斷的候選物,以保證電壓預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。


篩選過程表明,在鎳基鋰中,鉑和鈀部分取代鎳可獲得最大的放電容量。這些結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致,驗證了所提出的方法。


雖然Maezono教授強(qiáng)調(diào)需要更多的研究,但他對他們低成本篩選過程的未來持樂觀態(tài)度。“我們的發(fā)現(xiàn)表明,取代基如錸和鋨提供了高放電容量。然而,這些元素是稀有和昂貴的,將它們付諸實際使用將是具有挑戰(zhàn)性的。我們還需要進(jìn)一步的研究,以減少取代、多種元素取代或陰離子取代來達(dá)到同樣的效果。”“話雖如此,我們的新計算技術(shù)將加快尋找最優(yōu)材料,以更低的成本提高電池性能,使我們能夠用無碳替代品取代大部分現(xiàn)有的電力來源。”


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