從智能手機到電動汽車，鋰離子電池（LIBs）為一切提供動力，隨著技術的進步，鋰離子電池有了明顯的發展，徹底改變了我們的世界。技術進步的下一步是開發更好的電池，為電子設備提供更持久的動力。提高電池性能的一個有前途的技術涉及到正極材料中正電離子或陽離子的原子替代。然而，對不同的陽離子進行系統化的實驗以確定理想的陽離子是復雜而昂貴的，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現，電池的壽命和熱穩定性得到了改善。然而，這種改進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，由日本科學與技術高級研究所（JAIST）的RyoMaezono教授領導的科學家團隊對不同的陽離子進行了廣泛的篩選，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。據我們所知，這是第一項成功預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發表在最近一期的《物理化學雜志C》上。

成功預測放電電壓曲線的一個突出策略是強約束和適當規范（SCAN）函數。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，如密度泛函理論和集群擴展，以確定合適的陽離子替代候選物，然后將SCAN函數應用于推斷的候選物，以保證電壓預測的可靠性和準確性。

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。這些結果與實驗數據一致，驗證了所提出的方法。

雖然Maezono教授強調需要更多的研究，但他對他們低成本篩選過程的未來持樂觀態度。“我們的發現表明，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性的。我們還需要進一步的研究，以減少取代、多種元素取代或陰離子取代來達到同樣的效果。”“話雖如此，我們的新計算技術將加快尋找最優材料，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有的電力來源。”