“日本UNIST寻找锂离子电池中的阳离子替代物 以提升电池放电容量”

世界汽车新闻锂离子电池为高端智能手机、电动汽车等提供动力。 随着科学技术的进步，这种电池发生了巨大的变化，从根本上改变了我们的世界。 下一步，需要开发更好的电池，为电子设备提供持久的动力。 提高电池性能的一个有前景的技术是在正极材料中原子置换阳离子。 但是，要系统地进行实验，明确理想的不同替代基阳离子，只能工艺多、复杂、昂贵，通过模拟来缩小选择范围。

(图像来源: phys )

此前的研究报告指出，采用基于模拟的方法可以改善电池寿命和热稳定性。 但是，这反而会降低电池的放电容量，即电池通过一次放电可以提供的能量。 因此，为了提高阳离子替代物的放电容量，需要进行大量的研究。

由日本高等科学技术研究院( jaist )教授ryo maezono率领的研究小组，对不同的阳离子进行了广泛的筛选，替代了镍类锂离子电池中的一部分镍，提高了电池的放电容量。 maezono教授说:“通过放电曲线，可以明确放电容量。 放电曲线是充放电过程中的电压变化。 利用第一性原理计算判断了材料的放电曲线，但由于这些计算方法价格昂贵，综合其他方法减少了阳离子替代物的选择。 据我们所知，这项研究首次成功地预测了阳离子替代物，提高了电池容量。 ”

通过“扫描”泛函的重要策略，可以成功预测放电电压曲线。 但是，由于计算价格较大，用这种方法进行广泛的筛选是不现实的。 为此，该团队首先采用密度泛函理论和集群展开法( cluster expansion )等低价位金钱技术，揭示合适的阳离子交换候选，然后将scan泛函应用于估计候选，以确保预测电压的可靠性和准确性 从筛选过程可以看出，在镍类锂离子电池中，通过用铂和钯部分置换镍，可以得到最佳的放电容量。 这些结果与实验数据一致，验证了提出的做法。

研究者强调深入研究的必要性，对低价的筛选过程很乐观。 maezono教授说:“我们知道铼和锇等取代基具有很高的放电容量。 但是，这些元素稀少昂贵，难以实用化。 进一步研究表明，少量置换、多元素置换或阴离子置换时也能获得同样的效果。 我们创新的计算技术加快了对最佳材料的探索，以更低的价格提高了电池的性能，使目前的大部分电力资源能够被无碳替代品取代。 ”