В нескольких исследованиях сообщалось об увеличении времени автономной работы и термостабильности на основе их результатов с использованием подхода, основанного на моделировании. Однако такие улучшения, в свою очередь, снизили разрядную емкость аккумулятора, то есть количество энергии, которое аккумулятор может выдать за один разряд. В результате необходимо провести обширный поиск катионного заместителя, который увеличивает разрядную емкость.
На этом фоне группа ученых под руководством проф.
Рио Маэзоно из Японского передового института науки и технологий (JAIST) провел обширный скрининг различных катионов на предмет частичного замещения никеля в LIB на основе никеля с целью увеличения разрядной емкости аккумулятора.
«Емкость разряда может быть определена с помощью профиля разряда, который представляет собой изменение напряжения во время процесса заряда-разряда», – поясняет проф.
Maezono. «Мы использовали расчеты из первых принципов для оценки профилей разряда материалов, которые, в свою очередь, определяют их разрядную способность. Однако эти расчеты требуют больших вычислительных ресурсов, поэтому мы интегрировали другие методы, чтобы сузить круг кандидатов на замену катионов. Насколько нам известно, это первое исследование, которое успешно предсказывает замещение катионов для увеличения емкости батареи."Новаторское исследование было опубликовано в недавнем выпуске журнала Physical Chemistry C.
Известной стратегией для успешного прогнозирования профиля напряжения разряда является функция «строго ограниченного и надлежащим образом нормированного» (SCAN). Однако из-за больших вычислительных затрат такие методы непрактичны для обширной проверки. Итак, команда начала с использования относительно недорогих методов, таких как теория функционала плотности и расширение кластера, для определения подходящих кандидатов для замены катионов, а затем применила функцию SCAN к предполагаемым кандидатам, чтобы гарантировать надежность и точность прогнозов напряжения.
Процесс скрининга показал, что наибольшая разрядная емкость была получена при частичном замещении никеля платиной и палладием в LIB на основе никеля.
Эти результаты согласуются с экспериментальными данными, подтверждая предложенную методологию.
В то время как проф. Маэзоно подчеркивает необходимость дополнительных исследований, он с оптимизмом смотрит в будущее их недорогого процесса проверки. "Наши результаты показывают, что такие заместители, как рений и осмий, обладают высокой разрядной способностью. Тем не менее, эти элементы редки и дороги, и их практическое применение было бы сложной задачей.
Необходимы дальнейшие исследования, чтобы достичь того же эффекта с меньшим количеством замещений, замещения нескольких элементов или анионов », – говорит он. «При этом наша новая вычислительная техника ускорит поиск оптимальных материалов, которые улучшат характеристики батареи при меньших затратах, что позволит нам заменить большую часть наших нынешних источников электроэнергии на безуглеродные альтернативы."
Надеемся, что такие достижения приблизят человечество на шаг ближе к тому, чтобы в ближайшем будущем стать экологически чистым видом!