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计算机模拟帮助科学家测量电池性能
2023年01月08日    阅读量:20     新闻来源:中网行业信息网    |  投稿

决定电池性能的一个关键但研究不足的参数是迁移障碍。它决定了离子通过电池内部电极的速率,以及最终的充电或放电速率。由于很难在实验室测量迁移障碍,研究人员通常使用不同的计算机模拟或近似值来快速预测迁移障碍值。然而,到目前为止,这些模拟很少得到实验验证。

在一项新的研究中,印度科学研究所(IISc)的研究人员及其合作者全面分析了广泛使用的计算技术,并根据实验室测量中观察到的实际数据验证了他们对迁移障碍值的预测。基于他们的分析,该团队提出了一套稳健的指导原则,以帮助研究人员选择最准确的计算框架,用于测试未来可用于开发高效电池的材料。

为手机和笔记本电脑供电的锂离子电池由三个主要部件组成:固体负极(阳极)、固体正极(阴极)和将其分开的液体或固体电解质。充电或放电时,锂离子在电解液中迁移,产生电位差。“锂离子电池中的电极不是百分之百固体。把它们想象成海绵。它们有“孔”,锂离子必须通过这些孔,”IISc材料工程系助理教授赛·高塔姆·戈帕拉克里希南(Sai Gautam Gopalakrishnan)解释道,他是《npj计算材料》杂志上发表论文的通讯作者。

决定锂离子穿透这些孔的速率的一个重要参数是迁移势垒鈥攖离子穿过电极需要克服的能量阈值。“迁移障碍越低,电池充电或放电的速度就越快,”材料工程系博士生、该研究的第一作者Reshma Devi说。

Gopalakrishnan解释说:“一组使用一种计算技术,另一组使用另一种技术,计算出相同的迁移障碍值。这些值可能是等效的,但我们不能确定。”。

两种具体的近似方法,称为强约束近似赋范(SCAN)和广义梯度近似(GGA),是计算到达迁移障碍的最广泛使用的方法,但每种方法都有其自身的缺点。“我们用了九种不同的材料,”Reshma Devi解释道。“我们检查了每种近似值中哪一种最接近实验值。”

该团队发现,扫描功能整体上具有更好的数值精度,但GGA计算更快。研究人员发现,GGA在计算某些材料(如磷酸锂)中的迁移势垒时具有合理的准确性,如果需要快速估计,可能是更好的选择。

Gopalakrishnan说,这些见解对于那些试图在新材料用于电池相关应用之前测试其性能的科学家来说很有价值。“假设你有一种未知的材料,如果你很快想知道这种材料在你的应用中是否有用,那么你可以通过计算来做到这一点,前提是你知道哪种计算近似给你提供了最接近的值。这在材料发现方面很有用。”

该团队还致力于开发机器学习工具,以帮助加快对各种材料迁移障碍的预测。

标签:行业资讯今日头条高端访谈机械应用人工智能市场评论工程机械商用车 新能源汽车 配件与设备 配件与装备系统及软件
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