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（圖片來源：phys.org）

 

       鋰離子電池可為智能手機、電動汽車等提供動力。隨著科技的進步，這種電池發生了顯著的變化，并徹底改變了我們的世界。下一步需要開發更好的電池，為電子設備提供更持久的動力。提高電池性能的一種有前景技術，是在正極材料中對陽離子進行原子取代。然而，要系統地進行實驗，并確定理想的不同替代基陽離子，過程復雜且成本高，只能通過模擬來縮小選擇范圍。

 

       以往研究報告過，使用基于模擬的方法，可以改善電池壽命和熱穩定性。然而，這反過來會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，必須進行大量研究，以提高陽離子替代物的放電容量。

 

       日本高級科學技術研究院（JAIST）的Ryo Maezono教授領導的研究團隊，對不同的陽離子進行廣泛篩選，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：“通過放電曲線，可以確定放電容量。放電曲線是充放電過程中的電壓變化。我們使用第一原理計算來評估材料的放電曲線，然而，這些計算方式成本很高，所以我們整合其它方式，來縮減陽離子替代物選項。據我們所知，這一研究首次成功預測陽離子替代物，從而提升電池容量。”

 

       通過“嚴格約束和適當規范”(SCAN)泛函的重要策略，可以成功預測放電電壓曲線。然而，由于計算成本很大，利用這種方法進行廣泛篩查，是不切實際的。因此，該團隊首先使用低成本技術，如密度泛函理論和團簇展開法（cluster expansion），來確定合適的陽離子替換候選項，然后將SCAN泛函應用于推斷候選項，以確保預測電壓的可靠性和準確性。通過篩選過程可以看出，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。這些結果與實驗數據一致，驗證了所提出的方法。

 

       研究人員強調進行深入研究的必要性，并對低成本篩查過程持樂觀態度。Maezono教授表示：“結果表明，錸和鋨等取代基具有很高的放電容量。然而，這些元素稀有且價格昂貴，將其投入實際應用具有挑戰性。經過進一步研究，才能在少量取代、多元素取代或陰離子取代的情況下，達到同樣的效果。我們的創新計算技術，將加速尋找最佳材料，以更低的成本提高電池性能，使我們能夠用無碳替代品取代目前的大部分電力資源。”