Se describe brevemente el progreso del diseño de electrolitos sólidos para baterías de litio basadas en genomas materiales.

En las baterías de litio, las baterías de litio totalmente sólidas se reconocen como una dirección de desarrollo importante para las futuras baterías secundarias desde la perspectiva de mejorar la seguridad. Sin embargo, uno de los mayores problemas con el uso de materiales de electrolitos sólidos es que la conductividad de los iones de litio en los electrolitos sólidos es al menos un orden de magnitud menor que la de los electrolitos líquidos convencionales. Dado que la velocidad de transporte de los iones de litio está estrechamente relacionada con el rendimiento de la batería, es imperativo desarrollar materiales electrolíticos sólidos con alta conductividad iónica, alta estabilidad y alta resistencia mecánica.

El Instituto de Física de la Academia China de Ciencias / Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada (PICC) de Beijing, el Grupo E01 del Laboratorio de Energía Limpia, ha estado trabajando en el uso de ideas del genoma material en el desarrollo de materiales para baterías de litio en los últimos años. Sin embargo, el cálculo de las propiedades de transporte de iones basado en el método de la mecánica cuántica es muy grande y no es adecuado para el desarrollo de algoritmos de alto rendimiento. Los investigadores desarrollaron el software de cálculo de barrera y ruta de transporte de iones BVpath (número de registro de derechos de autor del software de computadora: 2015 SR161954) basado en potenciales semi-empíricos, y combinaron diferentes métodos de precisión computacional para diferentes etapas de selección y optimización de materiales. Se desarrolló el proceso de cálculo de alto flujo de materiales de baterías de litio basado en las propiedades de transporte de iones. Utilizando la herramienta informática de alto rendimiento, los investigadores realizaron un cribado computacional de alto rendimiento de las propiedades de transporte de iones de más de 1,000 materiales que contienen litio en la base de datos de estructura de cristal inorgánico y buscaron materiales de electrolitos sólidos que puedan usarse en la próxima generación de baterías secundarias de litio sólido (JMateriomic 1, 325 (2015)]. Para sulfuros con alta conductividad de iones de litio, se estudió el esquema de optimización de dopaje de electrolitos sólidos β-Li3PS4 utilizando cálculos de alto flujo con diferente precisión. Se encontró que el dopaje de oxígeno puede mejorar efectivamente la conductividad iónica y mejorar su estabilidad termodinámica El esquema fue validado experimentalmente [Sci.Rep.5, 14227 (2015); Phys.Chem.Chem.Phys.18, 21269 (2016)].

Recientemente, el equipo de investigación de la Academia China de Ingeniería Chen Liquan, el investigador Li Wei y el investigador asociado Xiao Ruijuan dirigieron al estudiante de doctorado Wang Xuelong. Basado en el esquema de sulfuro dopado con oxígeno anterior, se propuso la idea de diseño de introducir múltiples aniones coexistiendo en el electrolito sólido. Esto diseñó un nuevo material LiAlSO de electrolito sólido de oxisulfuro. La estructura cristalina del material se determinó mediante un cálculo de alto rendimiento basado en el método de predicción de la estructura cristalina, y se estudiaron su estabilidad termodinámica, estabilidad cinética y propiedades de transporte de iones. Los resultados del cálculo muestran que el compuesto tiene una barrera de migración de iones de litio baja en la dirección del eje a y pertenece al conductor de iones rápidos, que se espera que sea un material alternativo para electrolitos sólidos en baterías de litio sólidas. Este material ha sido solicitado para protección por patente por la Oficina Estatal de Propiedad Intelectual (número de solicitud de patente: 201710046965.8). Esta es la primera estructura nueva de materiales de electrolitos sólidos desarrollada en base a la idea del genoma del material, y el alcance de la investigación de los materiales de electrolitos sólidos se extiende al campo de los compuestos aniónicos mixtos y oxisulfuro. Esta investigación se publicó como una recomendación editorial en Physical Review Letters (PhysicalReview Letters 118, 195901 (2017)).

Al establecer una herramienta teórica de computación de alto rendimiento y una plataforma de investigación adecuada para el desarrollo de nuevos materiales para baterías secundarias de litio, los investigadores se dieron cuenta inicialmente de la aplicación de demostración de las ideas del genoma material en el desarrollo de nuevos materiales para baterías de litio. La aplicación exitosa del método del genoma material anterior proporciona una base para introducir aún más la informática en el análisis de datos computacionales de alto rendimiento, realizando la interpretación de datos materiales y brindando la posibilidad de promover este nuevo modelo de investigación y desarrollo en el proceso de investigación de otros tipos de materiales. El trabajo de investigación en esta dirección ha sido fuertemente apoyado por el Comité de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales (112,34013), el Ministerio de Ciencia y Tecnología (2015AA 034201), la Comisión Municipal de Ciencia y Tecnología de Beijing (D16110000241603), la Asociación de Promoción de la Innovación Juvenil. de la Academia China de Ciencias (2016005) y la Beijing Materials Gene Alliance.

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