從智能手機到電動汽車，鋰離子電池(LIB)隨著技術的進步而顯著發展，并徹底改變了我們的世界。技術進步的下一步是開發更好的電池，為電子設備供電更長時間。一種提高電池性能的有前途的技術涉及陰極材料中帶正電的離子或“陽離子”的原子取代。然而，系統地對不同的取代基陽離子進行實驗以確定理想的取代基是復雜且昂貴的，這使我們只能通過模擬來縮小選擇范圍。

科學家們使用密度泛函理論(DFT)和SCAN交換相關泛函定量推導出可靠的放電曲線（右），緩解了傳統DFT的定量不一致問題。

幾項研究報告稱，基于他們使用基于模擬的方法的發現，電池壽命和熱穩定性得到改善。然而，這些改進反過來又降低了電池的放電容量，即電池在一次放電中可以提供的能量。因此，必須對提高放電容量的陽離子取代基進行廣泛的研究。

在此背景下，由日本先進科學技術研究院(JAIST)的RyoMaezono教授領導的一組科學家對鎳基LIB中部分取代鎳的不同陽離子進行了廣泛篩選，旨在增強電池性能和放電容量。

放電容量可以使用放電曲線來確定，放電曲線是充放電過程中的電壓變化，Maezono教授解釋說，我們使用第一性原理計算來評估材料的放電曲線，這反過來又決定了它們的放電容量。然而，這些計算的計算成本很高，因此我們整合了其他方法來縮小陽離子置換的候選范圍。盡最大努力據我們所知，這是第一項成功預測陽離子替代以增加電池容量的研究。這項開創性的研究已發表在最近一期的《物理化學雜志C》上。

成功預測放電電壓曲線的一個重要策略是“強約束和適當規范”（SCAN）函數。然而，由于涉及大量的計算成本，這種方法對于廣泛的篩選是不切實際的。因此，該團隊首先使用密度泛函理論和簇擴展等相對廉價的技術來確定合適的陽離子置換候選者，然后將SCAN函數應用于推斷的候選者，以確保電壓預測的可靠性和準確性。

篩選過程表明，在鎳基鋰離子電池中，當鎳被鉑和鈀部分取代時，可獲得最高的放電容量。這些結果與實驗數據一致，驗證了所提出的方法。

雖然Maezono教授強調需要進行更多研究，但他對他們低成本篩選過程的未來持樂觀態度。我們的研究結果表明，錸和鋨等取代基可提供高放電容量。然而，這些元素稀少且昂貴，將它們投入實際使用將具有挑戰性。需要進一步研究以實現相同的效果，同時減少取代、多元素取代，或陰離子取代，他說，話雖如此，我們的新型計算技術將加速尋找以較低成本提高電池性能的最佳材料，使我們能夠用無碳替代品取代我們目前的大部分電源。