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AEM：機器學(xué)習(xí)+DFT立功！Al摻雜抑制鋰電層狀正極容量/電壓衰減！

由于不可逆的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，高能量密度正極材料（如鋰過量的層狀氧化物）中的陰離子氧化還原反應(yīng)會出現(xiàn)電壓/容量衰減。

在此，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院（UNIST）Kwang S. Kim、忠南大學(xué)Chang Woo Myung等人通過DFT及新開發(fā)的稀疏高斯過程回歸（SGPR）機器學(xué)習(xí)方法產(chǎn)生的通用勢能/力場進行快速模擬，研究了上述電池材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜、氧化還原現(xiàn)象和Li擴散隨充放電過程的變化。

作者首先利用基于SGPR的DFT勢能和變異的遺傳算法探究 Li_1.22Ru_0.61Ni_0.17O₂（LRNO）和Li_1.22Ru_0.61Ni_0.11Al_0.06O₂（Al-LRNO）的結(jié)構(gòu)，然后研究LRNO和Al-LRNO的脫鋰結(jié)構(gòu)以了解Al摻雜對高壓穩(wěn)定性的影響。由于局部化學(xué)環(huán)境在LRNO和Al-LRNO的樣本幾何形狀中高度重復(fù)，因此只需幾個訓(xùn)練步驟即可從ML勢能預(yù)測任何給定結(jié)構(gòu)的勢能。當(dāng)包括所有訓(xùn)練步驟時，基于SGPR的ML模擬計算比直接DFT模擬快100倍以上。

圖1. ML預(yù)測LRO、LRNO和Al-LRNO的結(jié)構(gòu)和形成能

鑒于Al摻雜已用于基于3d元素的層狀氧化物中，作者研究了作為參考材料的4d元素基材料LRNO中的Al摻雜效應(yīng)，它顯示了穩(wěn)定的氧氧化還原性質(zhì)和摻雜濃度。因此，Al摻雜可以強烈抑制電壓/容量衰減。鑒于結(jié)構(gòu)和電子變化取決于充電/放電狀態(tài)，這些變化反映在擴展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)和XANES光譜中。進一步，作者討論了Al摻雜抑制高壓下容量衰減機制。晶體軌道漢密爾頓布居（COHP）和Al-LRNO的Bader電荷分析表明，Al 摻雜有助于形成Ni-Al鍵合，從而增強Al-O鍵中的鍵合軌道特性。這種強化的Al-O鍵合阻礙了氧的氧化，從而提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并減少了安全問題?？傊?，這項研究提出的Al摻雜驅(qū)動的容量/電壓衰減抑制策略有助于設(shè)計穩(wěn)定的可逆層狀正極材料。

圖2. Al摻雜對Al-LRNO穩(wěn)定作用的電子起源

Al-Doping Driven Suppression of Capacity and Voltage Fadings in 4d-Element Containing Li-Ion-Battery Cathode Materials: Machine Learning and Density Functional Theory, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201497

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