电池：为明天的材料建模，从今日做起

哪些因素决定了电池充电速度的快慢？卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员通过基于计算机的模拟来研究这一问题以及其他问题。微观结构模型有助于发现和研究新的电极材料。当钠镍锰氧化物被用作钠离子电池的正极材料时，模拟揭示了充电过程中晶体结构的变化。这些变化导致弹性变形，从而使容量下降。研究人员在《npj 计算材料》杂志上发表了报告（DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x）

研究新型电池材料旨在优化其性能和寿命，并降低成本。同时也在努力减少稀有元素（如锂和钴）以及有毒成分的使用。在这方面，钠离子电池被认为非常有前景。它们的工作原理与锂离子电池相似，但可以使用在欧洲广泛可得的原材料生产。它们既适用于固定应用，也适用于移动应用。“层状氧化物，如钠镍锰氧化物，是非常有前景的正极材料，”卡尔斯鲁厄理工学院应用材料研究所-微观结构建模与模拟（IAM-MMS）的研究组组长西蒙·道布纳博士说，他也是该研究的通讯作者。在POLiS（意为后锂存储）卓越集群中，他研究钠离子技术。

快速充电产生机械应力

然而，这类正极材料存在一个问题。钠镍锰氧化物的晶体结构会根据储存的钠的量而发生变化。如果材料充电缓慢，一切都会有序进行。“钠会像汽车逐层离开停车场一样，逐层离开材料，”道布纳解释说，“但当充电速度很快时，钠会从四面八方被提取出来。”这会产生机械应力，可能会永久损坏材料。

卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所（INT）和IAM-MMS的研究人员与乌尔姆大学和巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心（ZSW）的科学家合作，最近进行了模拟以阐明情况。他们在《自然》旗下的《npj 计算材料》期刊上发表了报告。

实验证实模拟结果

“计算机模型可以描述各种长度尺度，从电极材料中原子的排列到其微观结构，再到电池作为任何电池的功能单元，”道布纳说。为了研究NaXNi1/3Mn2/3O2层状氧化物，研究人员将微观结构模型与慢速充放电实验相结合。研究发现，该材料存在多种导致容量损失的降解机制。因此，它目前还不适合商业应用。晶体结构的变化会导致弹性变形。晶体收缩，可能导致开裂和容量降低。INT和IAM-MMS的模拟表明，这种机械影响决定了材料充电所需的时间。ZSW的实验研究证实了这些结果。

该研究的发现可以部分地转移到其他层状氧化物上。“现在，我们了解了基本过程，并可以致力于开发寿命长且能尽快充电的电池材料，”道布纳总结道。这可能导致钠离子电池在五到十年内得到广泛应用。