0

Использование вычислительных экранов для идентификации 2D материалов для аккумуляторных анодов

Двумерные (2D) материалы представляют собой атомно-толстые кристаллы, которые стали популярными в науках о материалах благодаря своим интригующим физическим и химическим свойствам, которые (иногда очень сильно) отличаются от своих трехмерных аналогов. Они демонстрируют большие перспективы в разработке новых оптоэлектронных и электронных устройств, таких как фотодетекторы, чувствительные к поляризации, кристаллы, ориентированные на ориентацию кристаллов, и встроенные цифровые инверторы, а также потенциал для облегчения перехода на чистые, возобновляемые источники энергии.

Graphene sheet, illustration.

Металлические ионные батареи, например, широко используются для этой и других целей, но для удовлетворения растущих потребностей нашего общества в энергии необходимо приложить значительные усилия для поиска материалов с оптимальными свойствами, такими как высокая емкость, быстрая зарядка, высокая стабильность и простота производства.

2D материалы для ионно-металлических батарей, такие как графен, используемый для улучшения характеристик литий-ионных батарей, предлагают явные преимущества с точки зрения более высокой площади активной поверхности для увеличения плотности энергии, коротких расстояний диффузии ионов и превосходной электрической проводимости для повышения емкости, а также механическая гибкость и расширенный межслойный интервал для повышения производительности цикла.

Однако, несмотря на быстрое развитие в этой области, разнообразие и количество доступных 2D материалов для коммерческих технологий все еще весьма ограничено — особенно те, которые подходят для аккумуляторных электродов — потому что исследования до сих пор были сосредоточены только на элементарных или бинарных материалах.

Теоретические расчеты играют важную роль в проверке подходящих материалов для электродов, рационализации экспериментальных наблюдений и предоставлении эффективных стратегий для улучшения характеристик батареи. Первые принципы структурных предсказаний были использованы для предсказания свойств неизвестных атомных структур и ускорили и упростили поиск новых материалов для желаемых применений без необходимости синтеза каждого из них. Они могут использоваться для определения общей энергии и свойств данной структуры, или же структурные поиски могут генерировать различные теоретические структуры для данного химического состава.

Таким образом, химический состав оказывает важное влияние на свойства материала и должен учитываться при проектировании и проверке. Вычислительные экраны позволяют исследователям эффективно определять, как различные элементные комбинации могут изменять свойства материала, и могут помочь ответить на вопросы, которые в противном случае потребовали бы много времени или были бы невозможны, например, какова оптимальная комбинация элементов?

Это также позволяет исследовать двумерные тройные или четвертичные соединения (материалы, которые содержат три или более элементов), что не только обогащает разнообразие двумерных материалов, но также может привести к некоторым неожиданным и интересным свойствам. Физический скрининг бесконечного числа элементных комбинаций для получения идеального анода, конечно, нецелесообразен. Вместо этого исследователи могут использовать вычислительные модели, чтобы сократить время и затраты.

Современные теоретические дескрипторы способны определять / исследовать сайт адсорбции, диффузионный барьер и емкость 2D материалов. Однако одна из проблем заключается в том, как мы можем гарантировать, что теоретические прогнозы пригодны для практического применения в ионно-металлических батареях. Хотя многие 2D материалы были предложены теоретическими расчетами, только немногие могут быть использованы на практике. Это становится проблематичным, поскольку большинство используемых в настоящее время расчетов выполняется в вакууме и не учитывает влияние внешней среды, такой как электролит батареи или электрическое поле, на свойства материала. Таким образом, разработка более эффективных, подробных дескрипторов становится необходимой, если мы хотим двигаться вперед.

С развитием передовой теории и появлением новых алгоритмов, а также с появлением новых типов вычислительных ресурсов, проектирование материалов с помощью компьютеров имеет большой потенциал для изучения новых функциональных материалов.






Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.