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21年專注鋰電池定制

廉價的計算技術(shù)可用來篩選鋰電池中的原子,提高其容量

鉅大LARGE  |  點擊量:559次  |  2021年12月20日  

從智能手機到電動汽車,鋰離子電池(LIB)隨著技術(shù)的進步而顯著發(fā)展,并徹底改變了我們的世界。技術(shù)進步的下一步是開發(fā)更好的電池,為電子設(shè)備供電更長時間。一種提高電池性能的有前途的技術(shù)涉及陰極材料中帶正電的離子或“陽離子”的原子取代。然而,系統(tǒng)地對不同的取代基陽離子進行實驗以確定理想的取代基是復(fù)雜且昂貴的,這使我們只能通過模擬來縮小選擇范圍。


科學(xué)家們使用密度泛函理論(DFT)和SCAN交換相關(guān)泛函定量推導(dǎo)出可靠的放電曲線(右),緩解了傳統(tǒng)DFT的定量不一致問題。


幾項研究報告稱,基于他們使用基于模擬的方法的發(fā)現(xiàn),電池壽命和熱穩(wěn)定性得到改善。然而,這些改進反過來又降低了電池的放電容量,即電池在一次放電中可以提供的能量。因此,必須對提高放電容量的陽離子取代基進行廣泛的研究。


在此背景下,由日本先進科學(xué)技術(shù)研究院(JAIST)的RyoMaezono教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家對鎳基LIB中部分取代鎳的不同陽離子進行了廣泛篩選,旨在增強電池性能和放電容量。


放電容量可以使用放電曲線來確定,放電曲線是充放電過程中的電壓變化,Maezono教授解釋說,我們使用第一性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容量。然而,這些計算的計算成本很高,因此我們整合了其他方法來縮小陽離子置換的候選范圍。盡最大努力據(jù)我們所知,這是第一項成功預(yù)測陽離子替代以增加電池容量的研究。這項開創(chuàng)性的研究已發(fā)表在最近一期的《物理化學(xué)雜志C》上。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

成功預(yù)測放電電壓曲線的一個重要策略是“強約束和適當(dāng)規(guī)范”(SCAN)函數(shù)。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,該團隊首先使用密度泛函理論和簇擴展等相對廉價的技術(shù)來確定合適的陽離子置換候選者,然后將SCAN函數(shù)應(yīng)用于推斷的候選者,以確保電壓預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。


篩選過程表明,在鎳基鋰離子電池中,當(dāng)鎳被鉑和鈀部分取代時,可獲得最高的放電容量。這些結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致,驗證了所提出的方法。


雖然Maezono教授強調(diào)需要進行更多研究,但他對他們低成本篩選過程的未來持樂觀態(tài)度。我們的研究結(jié)果表明,錸和鋨等取代基可提供高放電容量。然而,這些元素稀少且昂貴,將它們投入實際使用將具有挑戰(zhàn)性。需要進一步研究以實現(xiàn)相同的效果,同時減少取代、多元素取代,或陰離子取代,他說,話雖如此,我們的新型計算技術(shù)將加速尋找以較低成本提高電池性能的最佳材料,使我們能夠用無碳替代品取代我們目前的大部分電源。


鉅大鋰電,22年專注鋰電池定制

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