Der Fortschritt des Festelektrolytdesigns für Lithiumbatterien basierend auf Materialgenomen wird kurz beschrieben.

In Lithiumbatterien werden Volllithiumbatterien als wichtige Entwicklungsrichtung für zukünftige Sekundärbatterien im Hinblick auf die Verbesserung der Sicherheit anerkannt. Eines der größten Probleme bei der Verwendung von Festelektrolytmaterialien besteht jedoch darin, dass die Leitfähigkeit von Lithiumionen in Festelektrolyten mindestens eine Größenordnung niedriger ist als die von herkömmlichen flüssigen Elektrolyten. Da die Transportgeschwindigkeit von Lithiumionen eng mit der Batterieleistung zusammenhängt, ist es unbedingt erforderlich, Festelektrolytmaterialien mit hoher Ionenleitfähigkeit, hoher Stabilität und hoher mechanischer Festigkeit zu entwickeln.

Die E01-Gruppe des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften / Pekinger Nationales Labor für Festkörperphysik (PICC) E01 Group hat in den letzten Jahren an der Verwendung von Ideen für das Materialgenom bei der Entwicklung von Lithiumbatteriematerialien gearbeitet. Die Berechnung der Ionentransporteigenschaften auf der Grundlage der quantenmechanischen Methode ist jedoch sehr umfangreich und nicht für die Entwicklung von Hochdurchsatzalgorithmen geeignet. Die Forscher entwickelten die Ionentransportpfad- und Barriereberechnungssoftware BVpath (Copyright-Registrierungsnummer für Computersoftware: 2015 SR161954) basierend auf semi-empirischen Potenzialen und kombinierten verschiedene rechnerische Präzisionsmethoden für verschiedene Stufen der Materialauswahl und -optimierung. Das Verfahren zur Berechnung des hohen Flusses von Lithiumbatteriematerialien basierend auf den Ionentransporteigenschaften wurde entwickelt. Unter Verwendung des Hochdurchsatz-Rechentools führten die Forscher ein Hochdurchsatz-Computerscreening der Ionentransporteigenschaften von mehr als 1.000 lithiumhaltigen Materialien in der Datenbank für anorganische Kristallstrukturen durch und suchten nach Festelektrolytmaterialien, die in der nächsten Generation von verwendet werden können Feste Lithium-Sekundärbatterien (JMateriomic 1, 325 (2015)]. Für Sulfide mit hoher Leitfähigkeit von Lithiumionen wurde das Dotierungsoptimierungsschema der Festelektrolyte β-Li3PS4 unter Verwendung von Hochflussberechnungen mit unterschiedlicher Präzision untersucht. Es wurde festgestellt, dass Sauerstoffdotierung möglich ist verbessern effektiv die Ionenleitfähigkeit und verbessern ihre thermodynamische Stabilität. Das Schema wurde experimentell validiert [Sci.Rep.5, 14227 (2015); Phys.Chem.Chem.Phys.18, 21269 (2016)].

Kürzlich leiteten das Forschungsteam der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften Chen Liquan, der Forscher Li Wei und der assoziierte Forscher Xiao Ruijuan den Doktoranden Wang Xuelong. Basierend auf dem obigen sauerstoffdotierten Sulfidschema wurde die Entwurfsidee vorgeschlagen, mehrere Anionen, die gleichzeitig im Festelektrolyten vorhanden sind, einzuführen. Dies führte zu einem neuen LiAlSO-Material für Oxysulfid-Festelektrolyte. Die Kristallstruktur des Materials wurde durch Hochdurchsatzberechnung basierend auf der Methode zur Vorhersage der Kristallstruktur bestimmt und seine thermodynamische Stabilität, kinetische Stabilität und Ionentransporteigenschaften wurden untersucht. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Verbindung in Richtung der a-Achse eine niedrige Migrationsbarriere für Lithiumionen aufweist und zum schnellen Ionenleiter gehört, von dem erwartet wird, dass er ein alternatives Material für Festelektrolyten in Festlithiumbatterien ist. Dieses Material wurde vom Staatlichen Amt für geistiges Eigentum zum Patentschutz angemeldet (Patentanmeldungsnummer: 201710046965.8). Dies ist die erste neue Struktur von Festelektrolytmaterialien, die auf der Grundlage der Idee des Materialgenoms entwickelt wurde, und der Forschungsbereich von Festelektrolytmaterialien wird auf das Gebiet der Oxysulfid- und gemischten anionischen Verbindungen ausgedehnt. Diese Forschung wurde als redaktionelle Empfehlung in den Physical Review Letters (PhysicalReview Letters 118, 195901 (2017)) veröffentlicht.

Durch die Einrichtung eines theoretischen Hochdurchsatz-Werkzeugs und einer Forschungsplattform, die für die Entwicklung neuer Materialien für Lithium-Sekundärbatterien geeignet sind, realisierten die Forscher zunächst die demonstrative Anwendung von Materialgenomideen bei der Entwicklung neuer Materialien für Lithiumbatterien. Die erfolgreiche Anwendung der oben genannten Materialgenommethode bietet eine Grundlage für die weitere Einführung der Informatik in die Analyse von Berechnungsdaten mit hohem Durchsatz, die Realisierung der Interpretation von Materialdaten und die Möglichkeit, dieses neue Forschungs- und Entwicklungsmodell im Forschungsprozess von zu fördern andere Arten von Materialien. Die Forschungsarbeit in dieser Richtung wurde stark vom Nationalen Komitee der Naturwissenschaftlichen Stiftung (112.34013), dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (2015AA 034201), der Pekinger Kommission für Wissenschaft und Technologie (D16110000241603) und der Youth Innovation Promotion Association unterstützt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (2016005) und der Beijing Materials Gene Alliance.

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