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日本UNIST尋找鋰離子電池中的陽(yáng)離子替代物 以提升電池放電容量
時(shí)間:2021-07-24 18:10來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:Elisha
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（圖片來(lái)源：phys.org）
鋰離子電池可為智能手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等提供動(dòng)力。隨著科技的進(jìn)步，這種電池發(fā)生了顯著的變化，并徹底改變了我們的世界。下一步需要開(kāi)發(fā)更好的電池，為電子設(shè)備提供更持久的動(dòng)力。提高電池性能的一種有前景技術(shù)，是在正極材料中對(duì)陽(yáng)離子進(jìn)行原子取代。然而，要系統(tǒng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并確定理想的不同替代基陽(yáng)離子，過(guò)程復(fù)雜且成本高，只能通過(guò)模擬來(lái)縮小選擇范圍。
以往研究報(bào)告過(guò)，使用基于模擬的方法，可以改善電池壽命和熱穩(wěn)定性。然而，這反過(guò)來(lái)會(huì)降低電池的放電容量，即電池在一次放電中所能提供的能量。因此，必須進(jìn)行大量研究，以提高陽(yáng)離子替代物的放電容量。
日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院（JAIST）的Ryo Maezono教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)不同的陽(yáng)離子進(jìn)行廣泛篩選，以部分替代鎳基鋰離子電池中的鎳，提升電池放電容量。Maezono教授表示：“通過(guò)放電曲線，可以確定放電容量。放電曲線是充放電過(guò)程中的電壓變化。我們使用第一原理計(jì)算來(lái)評(píng)估材料的放電曲線，然而，這些計(jì)算方式成本很高，所以我們整合其它方式，來(lái)縮減陽(yáng)離子替代物選項(xiàng)。據(jù)我們所知，這一研究首次成功預(yù)測(cè)陽(yáng)離子替代物，從而提升電池容量。”
通過(guò)“嚴(yán)格約束和適當(dāng)規(guī)范”(SCAN)泛函的重要策略，可以成功預(yù)測(cè)放電電壓曲線。然而，由于計(jì)算成本很大，利用這種方法進(jìn)行廣泛篩查，是不切實(shí)際的。因此，該團(tuán)隊(duì)首先使用低成本技術(shù)，如密度泛函理論和團(tuán)簇展開(kāi)法（cluster expansion），來(lái)確定合適的陽(yáng)離子替換候選項(xiàng)，然后將SCAN泛函應(yīng)用于推斷候選項(xiàng)，以確保預(yù)測(cè)電壓的可靠性和準(zhǔn)確性。通過(guò)篩選過(guò)程可以看出，在鎳基鋰離子電池中，用鉑和鈀部分取代鎳，可以獲得最佳放電容量。這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了所提出的方法。
研究人員強(qiáng)調(diào)進(jìn)行深入研究的必要性，并對(duì)低成本篩查過(guò)程持樂(lè)觀態(tài)度。Maezono教授表示：“結(jié)果表明，錸和鋨等取代基具有很高的放電容量。然而，這些元素稀有且價(jià)格昂貴，將其投入實(shí)際應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，才能在少量取代、多元素取代或陰離子取代的情況下，達(dá)到同樣的效果。我們的創(chuàng)新計(jì)算技術(shù)，將加速尋找最佳材料，以更低的成本提高電池性能，使我們能夠用無(wú)碳替代品取代目前的大部分電力資源。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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