研究人员广泛寻找锂电池中的阳离子替代物

从智能手机到电动汽车，锂离子电池（LIBs）为一切提供动力，随着技术的进步，锂离子电池有了明显的发展，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，为电子设备提供更持久的动力。提高电池性能的一个有前途的技术涉及到正极材料中正电离子或阳离子的原子替代。然而，对不同的阳离子进行系统化的实验以确定理想的阳离子是复杂而昂贵的，这使我们不得不将模拟作为缩小选择范围的唯一可行的选择。

一些研究报告说，基于他们使用基于模拟的方法的发现，电池的寿命和热稳定性得到了改善。然而，这种改进反过来又降低了电池的放电容量，也就是电池在一次放电中可以提供的能量。因此，必须广泛寻找能提高放电容量的阳离子取代物。

在此背景下，由日本科学与技术高级研究所（JAIST）的RyoMaezono教授领导的科学家团队对不同的阳离子进行了广泛的筛选，以便在镍基LIB中部分替代镍，从而提高电池的放电容量。

放电能力可以通过放电曲线来确定，即充放电过程中的电压变化，Maezono教授解释说。我们使用第一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能力。然而，这些计算的计算成本很高，所以我们整合了其他方法来缩小阳离子替代的候选对象。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。这项突破性的研究已经发表在最近一期的《物理化学杂志C》上。

成功预测放电电压曲线的一个突出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，研究小组开始使用相对便宜的技术，如密度泛函理论和集群扩展，以确定合适的阳离子替代候选物，然后将SCAN函数应用于推断的候选物，以保证电压预测的可靠性和准确性。

筛选过程表明，在镍基锂中，铂和钯部分取代镍可获得最大的放电容量。这些结果与实验数据一致，验证了所提出的方法。

虽然Maezono教授强调需要更多的研究，但他对他们低成本筛选过程的未来持乐观态度。“我们的发现表明，取代基如铼和锇提供了高放电容量。然而，这些元素是稀有和昂贵的，将它们付诸实际使用将是具有挑战性的。我们还需要进一步的研究，以减少取代、多种元素取代或阴离子取代来达到同样的效果。”“话虽如此，我们的新计算技术将加快寻找最优材料，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大部分现有的电力来源。”