Модель основана на внутренних электронных характеристиках материалов, используемых в качестве анодов батарей. К ним относятся квантовая емкость материала (способность материала поглощать заряд) и абсолютный уровень Ферми материала, который определяет, сколько ионов лития может связываться с электродами.Незначительные изменения в структуре, химическом составе и форме электрода могут значительно повлиять на то, насколько сильно ионы лития связываются с ним, и повлиять на емкость, напряжение и плотность энергии батареи.
Исследователи обнаружили универсальную корреляцию между этими свойствами и простой величиной, которую они назвали «работой по заполнению состояний», которая должна позволить ученым точно настраивать электроды.Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Ученый Лоуренса Ливермора Брэндон Вуд и физик-теоретик Райс Борис Якобсон руководили исследованием.Точная настройка становится критически важной, поскольку материаловеды тестируют все больше двумерных материалов, таких как графен и нанотрубки, для использования в качестве электродов.
По словам Якобсона, эти материалы предлагают большую площадь поверхности для связывания ионов в компактной упаковке.«В этой работе подчеркивается роль квантовой емкости», — сказал он. «Емкость батареи обычно определяется конфигурацией ваших электродов; люди думают об этом как о расстоянии между пластинами.«Но если пластины становятся очень близкими, а электроды и электролит плотно прилегают, то квантовая емкость становится ограничивающим параметром».
«Уровень Ферми материала электродов также важен», — сказал аспирант Райс Юаньюэ Лю, ведущий автор статьи. «Чем ниже он, тем сильнее будет связываться литий».Лю и Лоуренс Ливерморский научный сотрудник Брэндон Вуд искали «дескриптор», характеристику, которая отражала бы основную физику взаимодействий между литием и различными углеродными материалами, включая чистый, дефектный и деформированный графен, плоские углеродные кластеры, нанотрубки, углерод. кромки и многослойные стеки.«Этот дескриптор оказался« работой по заполнению состояний »- работой, необходимой для заполнения ранее незанятых электронных состояний внутри электрода», — сказал Лю.«Вообще говоря, дескриптор — это промежуточное свойство или параметр, который не дает вам того, что вы действительно хотите знать, но хорошо коррелирует с конечными характеристиками материала», — сказал Якобсон.
«Дескриптор подключается к свойствам, которые могут быть довольно сложными», — сказал он. «Например, вы можете судить о физической силе людей по их росту или весу. Это легко измерить. Это не совсем точно говорит вам, насколько сильным будет человек, но дает вам некоторое представление».
На основе дескриптора исследователи смогли оценить различные углеродные материалы. В частности, они обнаружили, что такие материалы, как дефектный или изогнутый графен, являются хорошими кандидатами на роль анодов, поскольку их энергетические профили позволяют связываться большему количеству ионов лития. В конечном итоге их работа предложила набор обязательных руководящих принципов для угольных анодов.«Это позволяет нам быстро оценить характеристики материала без проведения электрохимических испытаний или дорогостоящих вычислений», — сказал Лю.
«Удивляет тот факт, что наш дескриптор предсказывает характеристики такого широкого спектра материалов», — сказал Вуд. «Это означает, что лежащая в основе физика действительно очень похожа, даже если структура, морфология или химический состав различаются от одного кандидата к другому. Это действительно очень простое и элегантное открытие, которое может ускорить разработку и открытие».Якобсон отметил, что эта работа соответствует Инициативе по геному материалов (MGI), которая направлена на удвоение скорости и снижение стоимости разработки современных материалов за счет предоставления таких инструментов.
Ранее в этом году инженерная школа им. Джорджа Р. Брауна Райс провела семинар по инициативе MGI, один из четырех проведенных по всей стране.Якобсон — профессор материаловедения и наноинжиниринга имени Карла Ф. Хассельмана, профессор химии и член Института наноразмерных наук и технологий Ричарда Э. Смолли.
Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса и Министерство энергетики поддержали исследование.