0

Використання обчислювальних екранів для ідентифікації 2D матеріалів для акумуляторних анодів

двовимірні (2D) матеріали являють собою атомно-товсті кристали, які стали популярними в науках про матеріали завдяки своїм інтригуючим фізичним і хімічним властивостям, які (іноді дуже сильно) відрізняються від своїх тривимірних аналогів. Вони демонструють великі перспективи в розробці нових оптоелектронних та електронних пристроїв, таких як фотодетектори, чутливі до поляризації, кристали, орієнтовані на орієнтацію кристалів, і вбудовані цифрові інвертори, а також потенціал для полегшення переходу на чисті, поновлювані джерела енергії.

Графен лист, ілюстрація.

Металеві іонні батареї, наприклад, широко використовуються для цієї та інших цілей, але для задоволення зростаючих потреб нашого суспільства в енергії необхідно докласти значних зусиль для пошуку матеріалів з оптимальними властивостями, такими як висока ємність, швидка зарядка, висока стабільність і простота виробництва.

2D матеріали для іонно-металевих батарей, такі як графен, використовуваний для поліпшення характеристик літій-іонних батарей, пропонують явні переваги з точки зору більш високої площі активної поверхні для збільшення щільності енергії, коротких відстаней дифузії іонів і чудовою електричної провідності для підвищення ємності, а також механічна гнучкість і розширений міжшарового інтервал для підвищення продуктивності циклу.

Однак, незважаючи на швидкий розвиток в цій галузі, різноманітність і кількість доступних 2D матеріалів для комерційних технологій все ще досить обмежене – особливо ті, які підходять для акумуляторних електродів – тому що дослідження досі були зосереджені тільки на елементарних або бінарних матеріалах.

Теоретичні розрахунки відіграють важливу роль в перевірці відповідних матеріалів для електродів, раціоналізації експериментальних спостережень та надання ефективних стратегій для поліпшення характеристик батареї. Перші принципи структурних передбачень були використані для передбачення властивостей невідомих атомних структур і прискорили і спростили пошук нових матеріалів для бажаних застосувань без необхідності синтезу кожного з них. Вони можуть використовуватися для визначення загальної енергії і властивостей даної структури, або ж структурні пошуки можуть генерувати різні теоретичні структури для даного хімічного складу.

Таким чином, хімічний склад надає важливе впливом геть властивості матеріалу і повинен враховуватися при проектуванні і перевірці. Обчислювальні екрани дозволяють дослідникам ефективно визначати, як різні елементні комбінації можуть змінювати властивості матеріалу, і можуть допомогти відповісти на питання, які в іншому випадку зажадали б багато часу або були б неможливі, наприклад, яка оптимальна комбінація елементів?

Це також дозволяє досліджувати двовимірні потрійні або четвертинні сполуки (матеріали, які містять три або більше елементів), що не тільки збагачує різноманітність двовимірних матеріалів, але також може привести до деяких несподіваним і цікавим властивостям. Фізичний скринінг нескінченного числа елементних комбінацій для отримання ідеального анода, звісно, недоцільний. Замість цього дослідники можуть використовувати обчислювальні моделі, щоб скоротити час і витрати.

Сучасні теоретичні дескриптори здатні визначати / досліджувати сайт адсорбції, дифузний бар'єр і ємність 2D матеріалів. Однак одна з проблем полягає в тому, як ми можемо гарантувати, що теоретичні прогнози придатні для практичного застосування в іонно-металевих батареях. Хоча багато 2D матеріали були запропоновані теоретичними розрахунками, Лише поодинокі можуть бути використані на практиці. Це стає проблематичним, оскільки більшість використовуваних в даний час розрахунків виконується у вакуумі і не враховує вплив зовнішнього середовища, такий як електроліт батареї або електричне поле, на властивості матеріалу. Таким чином, розробка більш ефективних, докладних дескрипторів стає необхідною, якщо ми хочемо рухатися вперед.

З розвитком передової теорії і появою нових алгоритмів, а також з появою нових типів обчислювальних ресурсів, проектування матеріалів за допомогою комп'ютерів має великий потенціал для вивчення нових функціональних матеріалів.






Залишити коментар

Ваша електронна адреса не буде опублікований.