Van lithium-ionbatterijen tot supergeleiders van de volgende generatie:de functionaliteit van veel moderne, geavanceerde technologieën is afhankelijk van de fysieke eigenschap die bekend staat als intercalatie. Helaas is het moeilijk om van tevoren vast te stellen welke van de vele mogelijke geïntercaleerde materialen stabiel zijn, wat veel proefondervindelijk laboratoriumwerk bij de productontwikkeling vereist.

Nu blijkt uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in ACS Physical Chemistry Au hebben onderzoekers van het Institute of Industrial Science, de Universiteit van Tokio en samenwerkende partners een eenvoudige vergelijking bedacht die de stabiliteit van geïntercaleerde materialen correct voorspelt. De systematische ontwerprichtlijnen die door dit werk mogelijk worden gemaakt, zullen de ontwikkeling van opkomende hoogwaardige elektronica en energieopslagapparaten versnellen.

Om de prestaties van het onderzoeksteam te kunnen waarderen, moeten we de context van dit onderzoek begrijpen. Intercalatie is het omkeerbaar inbrengen van gasten (atomen of moleculen) in gastheren (bijvoorbeeld 2D-gelaagde materialen). Het doel van intercalatie is doorgaans het wijzigen van de eigenschappen of structuur van de host voor betere apparaatprestaties, zoals bijvoorbeeld te zien is in commerciële lithium-ionbatterijen.

Hoewel er veel synthetische methoden beschikbaar zijn voor het bereiden van geïntercaleerde materialen, hebben onderzoekers geen betrouwbare manier gehad om te voorspellen welke gastheer-gastcombinaties stabiel zijn. Daarom is er veel laboratoriumwerk nodig geweest om nieuwe geïntercaleerde materialen te bedenken voor het verlenen van apparaatfunctionaliteiten van de volgende generatie. Het doel van de studie van het onderzoeksteam was het minimaliseren van dit laboratoriumwerk door een eenvoudig voorspellend hulpmiddel voor de stabiliteit tussen gastheer en gast voor te stellen.

"Wij zijn de eersten die nauwkeurige voorspellende hulpmiddelen ontwikkelen voor gastheer-gast-intercalatie-energieën en de stabiliteit van geïntercaleerde verbindingen", legt Naoto Kawaguchi, hoofdauteur van het onderzoek, uit. "Onze analyse, gebaseerd op een database van 9.000 verbindingen, maakt gebruik van eenvoudige principes uit eerstejaars scheikunde."

Een bijzonder hoogtepunt van het werk is dat slechts twee gasteigenschappen en acht van de gastheer afgeleide descriptoren nodig waren voor de energie- en stabiliteitsberekeningen van de onderzoekers. Met andere woorden:de eerste ‘beste inschattingen’ waren niet nodig; alleen de onderliggende fysica van de gastheer-gastsystemen. Bovendien valideerden de onderzoekers hun model aan de hand van bijna 200 sets regressiecoëfficiënten.

"We zijn enthousiast omdat de formulering van ons regressiemodel eenvoudig en fysiek redelijk is", zegt Teruyasu Mizoguchi, senior auteur. "Andere computationele modellen in de literatuur missen een fysieke basis of validatie tegen onbekende geïntercaleerde verbindingen."

Dit werk is een belangrijke stap voorwaarts in het minimaliseren van het arbeidsintensieve laboratoriumwerk dat doorgaans nodig is om geïntercaleerde materialen te bereiden. Gegeven dat veel huidige en toekomstige energieopslag- en elektronische apparaten afhankelijk zijn van dergelijke materialen, zullen de tijd en kosten die nodig zijn voor overeenkomstig onderzoek en ontwikkeling tot een minimum worden beperkt. Bijgevolg zullen producten met geavanceerde functionaliteiten sneller op de markt komen dan voorheen mogelijk was.

Meer informatie: Naoto Kawaguchi et al., Het ontrafelen van de stabiliteit van gelaagde intercalatieverbindingen door middel van berekeningen uit de eerste principes:het tot stand brengen van een lineaire vrije energierelatie met waterige ionen, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063

Aangeboden door Universiteit van Tokio