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深大王任衡ACS Nano：計(jì)算輔助的鈉離子固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展

全固態(tài)鈉電池（ASSB）由于其安全性、高能量密度和豐富的原材料而受到廣泛關(guān)注，其發(fā)展受到缺乏超離子和電化學(xué)穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì) (SE)的限制。設(shè)計(jì)和制造用作高性能SE的特定功能材料需要在原子水平上深入了解傳輸機(jī)制和電化學(xué)特性，先進(jìn)的計(jì)算工具提供了一種強(qiáng)大而方便的方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在此，深圳大學(xué)王任衡等人主要總結(jié)了關(guān)于SE的先進(jìn)計(jì)算方法和離子遷移機(jī)制的最新進(jìn)展。首先，概述了SE研究中常用的計(jì)算方法，包括第一性原理、分子動(dòng)力學(xué) (MD)、蒙特卡羅 (MC) 模擬、簇?cái)U(kuò)展法、輕推彈性帶 (NEB) 法及其相應(yīng)的代碼。

隨后，詳細(xì)描述了當(dāng)前對(duì)SE中堿離子傳輸機(jī)制的理解。然后介紹了實(shí)用鈉離子無機(jī)SE的最新進(jìn)展，如Na-β-Al₂O₃、NASICON型、硫化物型和反鈣鈦礦型SE，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并描述了優(yōu)秀鈉離子SE應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)。此外，作者強(qiáng)調(diào)了計(jì)算研究的貢獻(xiàn)，特別是結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。

圖1. SE的計(jì)算過程示意圖

隨著各種類型的鈉離子SEs的快速發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)與液體電解質(zhì)相當(dāng)?shù)母唠x子電導(dǎo)率。然而，鈉離子SEs與電極的相容性差顯著削弱了ASSBs的性能。復(fù)合固體電解質(zhì)方法結(jié)合了無機(jī)SE的高離子電導(dǎo)率和聚合物SE的柔韌性，是解決這個(gè)問題的實(shí)用方法。計(jì)算建模的一個(gè)主要目的是通過說明原子和宏觀尺度特性之間的潛在關(guān)系，提供對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理和化學(xué)過程的基本理解，因此需要有效的多尺度計(jì)算方法和相應(yīng)的計(jì)算能力來處理這些問題。

值得注意的是，隨著近期出現(xiàn)的高通量篩選和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以從材料數(shù)據(jù)庫篩選大量可能的候選化合物發(fā)現(xiàn)良好的鈉離子SE，數(shù)據(jù)庫和智能算法的快速發(fā)展將為SE中離子遷移的大規(guī)模研究提供基礎(chǔ)。

圖2. 用于SIB的不同類型SE的性能對(duì)比

簡(jiǎn)而言之，模擬和實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)整合成功地促進(jìn)了鈉離子SEs領(lǐng)域的研究。作者相信，利用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)表征將提供進(jìn)一步的機(jī)會(huì)，以豐富對(duì)超離子SE 普遍特征的理解，并為ASSB設(shè)計(jì)性能更好的鈉離子SE。

Computational Auxiliary for the Progress of Sodium-Ion Solid-State Electrolytes, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c07476

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