Кратко описывается прогресс разработки твердого электролита для литиевых батарей на основе геномов материалов.

В литиевых батареях твердотельные литиевые батареи признаны важным направлением развития будущих вторичных батарей с точки зрения повышения безопасности. Однако одна из самых больших проблем при использовании материалов с твердыми электролитами заключается в том, что проводимость ионов лития в твердых электролитах по крайней мере на порядок ниже, чем у обычных жидких электролитов. Поскольку скорость переноса ионов лития тесно связана с характеристиками батареи, крайне важно разработать твердые электролитные материалы с высокой ионной проводимостью, высокой стабильностью и высокой механической прочностью.

Институт физики Китайской академии наук / Пекинская национальная лаборатория физики конденсированного состояния (PICC) Лаборатория чистой энергии Группа E01 в последние годы работает над использованием идей генома материала при разработке материалов для литиевых батарей. Однако расчет свойств переноса ионов на основе метода квантовой механики очень велик и не подходит для разработки высокопроизводительных алгоритмов. Исследователи разработали программу для расчета путей переноса ионов и барьеров BVpath (регистрационный номер авторского права на компьютерное программное обеспечение: 2015 SR161954) на основе полуэмпирических потенциалов и объединили различные методы точности вычислений для различных этапов выбора и оптимизации материалов. Разработан процесс расчета высокопоточных материалов литиевых батарей на основе свойств переноса ионов. Используя высокопроизводительный вычислительный инструмент, исследователи выполнили высокопроизводительный вычислительный скрининг свойств переноса ионов более чем 1000 литий-содержащих материалов в базе данных неорганических кристаллических структур и провели поиск материалов твердых электролитов, которые могут быть использованы в следующем поколении твердые литиевые вторичные батареи (JMateriomic 1, 325 (2015)]. Для сульфидов с высокой проводимостью ионов лития схема оптимизации легирования твердых электролитов β-Li3PS4 была исследована с использованием расчетов высокого потока с различной точностью. Было обнаружено, что легирование кислородом может эффективно улучшить ионную проводимость и улучшить ее термодинамическую стабильность.Схема была подтверждена экспериментально [Sci.Rep.5, 14227 (2015); Phys.Chem.Chem.Phys.18, 21269 (2016)].

Недавно исследовательская группа Китайской инженерной академии Чэнь Лицюань, исследователь Ли Вэй и младший научный сотрудник Сяо Жуйцзюань руководили докторантом Ван Сюэлуном. На основе описанной выше схемы сульфида, легированного кислородом, была предложена идея создания множества анионов, сосуществующих в твердом электролите. В результате был разработан новый оксисульфидный твердый электролит LiAlSO. Кристаллическая структура материала была определена высокопроизводительным расчетом на основе метода прогнозирования кристаллической структуры, а также изучены его термодинамическая стабильность, кинетическая стабильность и свойства переноса ионов. Результаты расчетов показывают, что соединение имеет низкий барьер миграции ионов лития в направлении оси a и относится к проводнику быстрых ионов, который, как ожидается, станет альтернативным материалом для твердого электролита в твердотельных литиевых батареях. Этот материал был подан на патентную защиту Государственным ведомством интеллектуальной собственности (номер заявки на патент: 201710046965.8). Это первая новая структура материалов с твердым электролитом, разработанная на основе идеи генома материала, а объем исследований твердых электролитов расширен до области оксисульфидных и смешанных анионных соединений. Это исследование было опубликовано в качестве редакционной рекомендации в Physical Review Letters (PhysicalReview Letters 118, 195901 (2017)).

Создав теоретический инструмент для высокопроизводительных вычислений и исследовательскую платформу, подходящую для разработки новых материалов для литиевых вторичных батарей, исследователи сначала реализовали демонстрационное применение идей генома материала при разработке новых материалов для литиевых батарей. Успешное применение вышеупомянутого метода материального генома обеспечивает основу для дальнейшего внедрения информатики в анализ высокопроизводительных вычислительных данных, реализации интерпретации материальных данных и предоставления возможности продвигать эту новую модель исследований и разработок в процессе исследований другие виды материалов. Исследовательская работа в этом направлении активно поддерживается Комитетом Национального фонда естественных наук (112,34013), Министерством науки и технологий (2015AA 034201), Пекинской городской комиссией по науке и технологиям (D16110000241603), Молодежной ассоциацией содействия инновациям. Китайской академии наук (2016005) и Пекинского альянса материаловедения.

Страница содержит содержимое машинного перевода.