Alimentando todo, desde teléfonos inteligentes hasta automóviles eléctricos, las baterías de iones de litio LIB han evolucionado notablemente con los avances de la tecnología y han revolucionado nuestro mundo. El siguiente paso en el progreso de la tecnología es desarrollar baterías aún mejores para alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo.Una técnica prometedora para aumentar el rendimiento de la batería implica la sustitución atómica de iones o "cationes" cargados positivamente en el material del cátodo. Sin embargo, hacerlo de manera sistemática para diferentes cationes sustituyentes para determinar los ideales de manera experimental es complejo y costoso, dejándonos con simulaciones como laúnica opción viable para reducir las opciones.
Varios estudios han reportado una mejor duración de la batería y estabilidad térmica en base a sus hallazgos usando un enfoque basado en simulación. Sin embargo, tales mejoras, a su vez, han reducido la capacidad de descarga de la batería, que es la cantidad de energía que una bateríapuede suministrar en una sola descarga. Como resultado, se debe realizar una búsqueda exhaustiva del sustituyente catiónico que mejora la capacidad de descarga.
En este contexto, un equipo de científicos dirigido por el profesor Ryo Maezono del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón JAIST llevó a cabo una selección exhaustiva de diferentes cationes para la sustitución parcial de níquel en un LIB a base de níquel con la intención de mejorarla capacidad de descarga de la batería.
"La capacidad de descarga se puede determinar utilizando el perfil de descarga, que es el cambio de voltaje durante el proceso de carga-descarga" explica el Prof. Maezono. "Usamos cálculos de primeros principios para evaluar los perfiles de descarga de materiales que, a su vez, determina sus capacidades de descarga. Sin embargo, estos cálculos son computacionalmente costosos, por lo que integramos otros métodos para delimitar los candidatos para el reemplazo de cationes.lo mejor de nuestro conocimiento, este es el primer estudio que predice con éxito la sustitución de cationes para aumentar la capacidad de la batería ". El estudio pionero se ha publicado en una edición reciente de La Revista de Química Física C .
Una estrategia destacada para predecir con éxito el perfil de voltaje de descarga es la función "fuertemente restringida y debidamente normalizada" SCAN. Sin embargo, debido a los grandes costos de computación involucrados, tales métodos no son prácticos para un examen exhaustivo. Por lo tanto, el equipo comenzó porutilizando técnicas relativamente económicas como la teoría funcional de la densidad y la expansión de grupos para identificar candidatos adecuados para el reemplazo de cationes y luego aplicó SCAN funcional a los candidatos inferidos para asegurar la confiabilidad y precisión en las predicciones de voltaje.
El proceso de selección reveló que la mayor capacidad de descarga se obtuvo cuando el níquel fue sustituido parcialmente con platino y paladio en LIB a base de níquel. Estos resultados fueron consistentes con los datos experimentales, validando la metodología propuesta.
Si bien el profesor Maezono enfatiza la necesidad de investigación adicional, es optimista sobre el futuro de su proceso de selección de bajo costo. "Nuestros hallazgos indican que los sustituyentes como el renio y el osmio ofrecen altas capacidades de descarga. Sin embargo, estos elementos son raros y costosos, y ponerlos en práctica sería un desafío. Se necesitan más estudios para lograr el mismo efecto con menos sustitución,sustitución de elementos múltiples, o sustitución de aniones, " dice. "Habiendo dicho eso, nuestra novedosa técnica computacional acelerará la búsqueda de materiales óptimos que mejoren el rendimiento de la batería a menores costos, permitiéndonos reemplazar la mayor parte de nuestras fuentes de electricidad actuales con alternativas libres de carbono".
¡Con suerte, estos avances acercarán a la humanidad un paso más a convertirse en una especie respetuosa con el medio ambiente en un futuro próximo!
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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