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

锂离子电池可为智能手机、电动汽车等提供动力。随着科技的进步，这种电池发生了显著的变化，并彻底改变了我们的世界。下一步需要开发更好的电池，为电子设备提供更持久的动力。提高电池性能的一种有前景技术，是在正极材料中对阳离子进行原子取代。然而，要系统地进行实验，并确定理想的不同替代基阳离子，过程复杂且成本高，只能通过模拟来缩小选择范围。

（图片来源：phys.org）

以往研究报告过，使用基于模拟的方法，可以改善电池寿命和热稳定性。然而，这反过来会降低电池的放电容量，即电池在一次放电中所能提供的能量。因此，必须进行大量研究，以提高阳离子替代物的放电容量。

日本高级科学技术研究院（JAIST）的Ryo Maezono教授领导的研究团队，对不同的阳离子进行广泛筛选，以部分替代镍基锂离子电池中的镍，提升电池放电容量。Maezono教授表示：“通过放电曲线，可以确定放电容量。放电曲线是充放电过程中的电压变化。我们使用第一原理计算来评估材料的放电曲线，然而，这些计算方式成本很高，所以我们整合其它方式，来缩减阳离子替代物选项。据我们所知，这一研究首次成功预测阳离子替代物，从而提升电池容量。”

通过“严格约束和适当规范”(SCAN)泛函的重要策略，可以成功预测放电电压曲线。然而，由于计算成本很大，利用这种方法进行广泛筛查，是不切实际的。因此，该团队首先使用低成本技术，如密度泛函理论和团簇展开法（cluster expansion），来确定合适的阳离子替换候选项，然后将SCAN泛函应用于推断候选项，以确保预测电压的可靠性和准确性。通过筛选过程可以看出，在镍基锂离子电池中，用铂和钯部分取代镍，可以获得最佳放电容量。这些结果与实验数据一致，验证了所提出的方法。

研究人员强调进行深入研究的必要性，并对低成本筛查过程持乐观态度。Maezono教授表示：“结果表明，铼和锇等取代基具有很高的放电容量。然而，这些元素稀有且价格昂贵，将其投入实际应用具有挑战性。经过进一步研究，才能在少量取代、多元素取代或阴离子取代的情况下，达到同样的效果。我们的创新计算技术，将加速寻找最佳材料，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目前的大部分电力资源。”