Et fysikbaseret forudsigelsesværktøj til at fremskynde batteri- og superlederforskning

Fra lithium-ion-batterier til næste generations superledere afhænger funktionaliteten af ​​mange moderne, avancerede teknologier af den fysiske egenskab kendt som interkalering. Desværre er det svært på forhånd at identificere, hvilke af de mange mulige interkalerede materialer, der er stabile, hvilket kræver en del prøve-og-fejl laboratoriearbejde i produktudvikling.

Nu, i en undersøgelse for nylig offentliggjort i ACS Physical Chemistry Au , har forskere fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo og samarbejdspartnere udtænkt en ligetil ligning, der korrekt forudsiger stabiliteten af ​​interkalerede materialer. De systematiske designretningslinjer, som dette arbejde muliggør, vil fremskynde udviklingen af ​​kommende højtydende elektronik- og energilagringsenheder.

For at værdsætte forskerholdets præstation er vi nødt til at forstå konteksten af ​​denne forskning. Interkalation er den reversible indsættelse af gæster (atomer eller molekyler) i værter (for eksempel 2D-lagsmaterialer). Formålet med interkalation er almindeligvis at ændre værtens egenskaber eller struktur for at forbedre enhedens ydeevne, som det ses i for eksempel kommercielle lithium-ion-batterier.

Selvom mange syntetiske metoder er tilgængelige til fremstilling af interkalerede materialer, har forskere ikke haft nogen pålidelig måde at forudsige, hvilke vært-gæst-kombinationer der er stabile. Derfor har der været behov for meget laboratoriearbejde for at udtænke nye interkalerede materialer til at bibringe næste generations enhedsfunktioner. At minimere dette laboratoriearbejde ved at foreslå et ligetil forudsigelsesværktøj til vært-gæst-stabilitet var målet med forskerholdets undersøgelse.

"Vi er de første til at udvikle nøjagtige forudsigelsesværktøjer til vært-gæst interkalationsenergier og stabiliteten af ​​interkalerede forbindelser," forklarer Naoto Kawaguchi, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores analyse, baseret på en database med 9.000 forbindelser, bruger ligetil principper fra bachelor-førsteårs kemi."

Et særligt højdepunkt i arbejdet er, at kun to gæsteejendomme og otte værtsafledte deskriptorer var nødvendige for forskernes energi- og stabilitetsberegninger. Med andre ord var indledende "bedste gæt" ikke nødvendige; kun den underliggende fysik i vært-gæstesystemerne. Desuden validerede forskerne deres model mod næsten 200 sæt regressionskoefficienter.

"Vi er begejstrede, fordi vores regressionsmodelformulering er ligetil og fysisk rimelig," siger Teruyasu Mizoguchi, seniorforfatter. "Andre beregningsmodeller i litteraturen mangler et fysisk grundlag eller validering mod ukendte interkalerede forbindelser."

Dette arbejde er et vigtigt skridt fremad for at minimere det besværlige laboratoriearbejde, der typisk kræves for at forberede interkalerede materialer. I betragtning af, at mange nuværende og kommende energilagring og elektroniske enheder er afhængige af sådanne materialer, vil den tid og udgifter, der kræves til tilsvarende forskning og udvikling, blive minimeret. Derfor vil produkter med avancerede funktionaliteter nå markedet hurtigere, end hvad der tidligere har været muligt.

Flere oplysninger: Naoto Kawaguchi et al., Optrævling af stabiliteten af ​​lagdelte interkalationsforbindelser gennem første-principberegninger:Etablering af et lineært fri energiforhold med vandige ioner, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063

Leveret af University of Tokyo