科学研究

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发布日期:2022-03-14
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之江实验室数字反应堆计算材料团队研究成果发表于Nature Catalysis上

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近日,之江实验室数字反应堆计算材料研究团队在基于人工智能的计算材料与性能预测方面获重要研究进展。在中国科学院院士、之江实验室数字反应堆计算材料领域首席科学家张统一领衔下,研究团队围绕“锂离子电池电极材料绝缘体电化学”核心难题,提出了计算解决方案。成果发表于最新一期的《自然·催化》(Nature Catalysis,IF=41.813)上。

在锂离子电池充放电过程中,由于电池内部固体材料界面之间接触不良导致充电不完全,会使得能量效率降低而导致电池破坏失效。针对这一技术瓶颈,研究团队从理论计算上提出了解决方案并得到实验验证。

在该研究中,团队首次将“无序化分解”思想引入到转换反应放电产物的分解机理研究中,发展出一套应用于转换反应电极材料的分解过程计算方案。方案突破了传统局限于满足化学计量比的理想分解过程,提出了更契合产业实际的电化学过程分解路径,预测出更贴合真实体系的本征过电位。结合实验工作,研究团队证明了计算预测结果的正确性,可使反应动力学效率提高至原来的3到5倍。

例如,计算得到氧化锂表面的本征过电位计算值为0.54 V,与实验测量电位0.58 V高度吻合,如图所示,成功揭示出实验中观察电化学循环过程中动力学突跃的本质。同时,这一工作通过Li-O2电池放电产物(Li2O2)分解过程的本征过电位研究,发现通过溶剂化效应可以调控氧化还原催化剂的真实电化学活性,从而使其能克服放电产物的本征过电位。研究工作表明在研究氧化还原催化剂在正极发生氧化反应的过程时,同样需考虑电极对其在真实环境中的过电位或真实电化学活性,即电极本身和电解液对RM电化学活性的扰动情况。这些计算结果也得到了实验上的验证,两者有很好的一致性。

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两个Li2O2表面在氧化过程中的表面结构和能量分布示意图

 

该研究成果充分体现了计算材料学对加速材料研发过程的重要推动作用,将有助于解决动力学和过电位依赖关系这一阻碍器件应用发展的关键科学问题。

该工作由“之江实验室-上海大学计算材料学联合研究中心”骨干成员施思齐教授课题组与上海大学、南京工业大学、奥地利科学技术研究所等单位合作完成的,之江实验室为共同通讯作者单位之一。

论文题目:Threshold potentials for fast kinetics during mediated redox catalysis of insulators in Li-O2 and Li-S batteries

论文全文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-022-00752-z

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