Модель основана на внутренних электронных особенностях материалов, используемых в качестве анодов батареи. Они включают квантовую емкость материала (способность материала поглотить обвинение) и абсолютный уровень Ферми материала, который определяет, сколько литиевых ионов может сцепиться с электродами.Тонкие изменения в структуре, химии и форме электрода могут значительно измениться, как решительно литиевая связь ионов к нему и затрагивает мощность батареи, напряжение и плотность энергии. Исследователи нашли универсальную корреляцию между этими свойствами и простым количеством, которое они назвали «заполняющей государства работой», которая должна позволить ученым точно настраивать электроды.
Исследование появляется в журнале Physical Review Letters. Ученый Лоуренса Ливермора Брэндон Вуд и Rice теоретический физик Борис Якобсон привели исследование.Точная настройка становится критически важной, поскольку материаловеды проверяют больше 2-х материалов как графен и нанотрубки для использования в качестве электродов.
Материалы предлагают обширную площадь поверхности для ионов, чтобы связать с в компактном пакете, сказал Якобсон.«Эта работа подчеркивает роль квантовой емкости», сказал он. «Емкость в батарее обычно определяется конфигурацией Ваших электродов; люди думают об этом как расстояние между пластинами.«Но если пластины становятся очень близко, и электроды и электролит трудны, то квантовая емкость становится ограничивающим параметром».«Уровень Ферми материала электрода также важен», сказал аспирант Райса Юаньюэ Лю, ведущий автор газеты. «Чем ниже это, тем более прочный литий свяжет».
Лю и научный сотрудник Лоуренса Ливермора Брэндон Вуд искали «описатель», особенность, которая захватит существенную физику взаимодействий между литием и множеством углеродных материалов, включая чистый, дефектный и напряженный графен, плоские углеродные группы, нанотрубки, углеродные края и многослойные стеки.«Тот описатель оказался ‘заполняющей государства работой’ – работа, требуемая заполнить ранее незанятые электронные состояния в электроде», сказал Лю.«Вообще говоря, описатель – промежуточная собственность или параметр, который не дает Вам, что Вы действительно хотите знать, но корреляты хорошо с заключительной работой материала», сказал Якобсон.«Описатель соединяется со свойствами, которые могут быть довольно сложными», сказал он. «Например, Вы можете судить физическую силу людей по тому, насколько высокий они или в развес.
Это легко измерить. Это точно не говорит Вам, насколько сильный человек будет, но это дает Вам некоторое представление».На основе описателя исследователи смогли оценить различные углеродные материалы.
Определенно, они нашли, что материалы как дефектный или кривой графен были хорошими кандидатами на аноды, поскольку их энергетические профили позволили большему количеству литиевых ионов связывать. В конечном счете их работа предложила ряд обязательных рекомендаций для углеродных анодов.
«Они позволяют нам быстро оценивать существенную работу, не делая электрохимических тестов или дорогих вычислений», сказал Лю.«То, что наш описатель предсказывает исполнение такого большого разнообразия материалов, удивительно», сказал Вуд. «Это означает, что основная физика действительно очень похожа, даже если структура, морфология или химия отличаются от одного кандидата к следующему.
Это – действительно очень простое и изящное открытие, которое могло ускорить дизайн и открытие».Якобсон отметил, что работа соответствует Materials Genome Initiative (MGI), которая стремится удваивать скорость и уменьшать стоимость развития продвинутых материалов, обеспечивая эти виды инструментов.
Ранее в этом году Школа Джорджа Р. Брауна Риса Разработки устроила семинар по инициативе MGI, одному из четырех проводимых по всей стране.Якобсон – профессор Карла Ф. Хасзелмана Риса Материаловедения и NanoEngineering, преподавателя химии и члена Института Ричарда Э. Смалли Наноразмерной Науки и техники.
Ливерморская национальная лаборатория и Министерство энергетики поддержали исследование.