從智能手機到電動汽車，鋰離子電池（LIBs）為一切提供動力，隨著技術(shù)的進步，鋰離子電池有了明顯的發(fā)展，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，為電子設備提供更持久的動力。提高電池性能的一個有前途的技術(shù)涉及到正極材料中正電離子或"陽離子"的原子替代。然而，對不同的陽離子進行系統(tǒng)化的實驗以確定理想的陽離子是復雜而昂貴的，這使我們不得不將模擬作為縮小選擇范圍的唯一可行的選擇。

一些研究報告說，基于他們使用基于模擬的方法的發(fā)現(xiàn)，電池的壽命和熱穩(wěn)定性得到了改善。然而，這種改進反過來又降低了電池的放電容量，也就是電池在一次放電中可以提供的能量。因此，必須廣泛尋找能提高放電容量的陽離子取代物。

在此背景下，由日本科學與技術(shù)高級研究所（JAIST）的RyoMaezono教授領(lǐng)導的科學家團隊對不同的陽離子進行了廣泛的篩選，以便在鎳基LIB中部分替代鎳，從而提高電池的放電容量。

"放電能力可以通過放電曲線來確定，即充放電過程中的電壓變化，"Maezono教授解釋說。"我們使用第一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能力。然而，這些計算的計算成本很高，所以我們整合了其他方法來縮小陽離子替代的候選對象。據(jù)我們所知，這是第一項成功預測陽離子替代以增加電池容量的研究"。這項突破性的研究已經(jīng)發(fā)表在最近一期的《物理化學雜志C》上。

成功預測放電電壓曲線的一個突出策略是"強約束和適當規(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，研究小組開始使用相對便宜的技術(shù)，如密度泛函理論和集群擴展，以確定合適的陽離子替代候選物，然后將SCAN函數(shù)應用于推斷的候選物，以保證電壓預測的可靠性和準確性。

篩選過程表明，在鎳基鋰中，鉑和鈀部分取代鎳可獲得最大的放電容量。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)需要更多的研究，但他對他們低成本篩選過程的未來持樂觀態(tài)度。“我們的發(fā)現(xiàn)表明，取代基如錸和鋨提供了高放電容量。然而，這些元素是稀有和昂貴的，將它們付諸實際使用將是具有挑戰(zhàn)性的。我們還需要進一步的研究，以減少取代、多種元素取代或陰離子取代來達到同樣的效果。”“話雖如此，我們的新計算技術(shù)將加快尋找最優(yōu)材料，以更低的成本提高電池性能，使我們能夠用無碳替代品取代大部分現(xiàn)有的電力來源。”