Från litiumjonbatterier till nästa generations supraledare, funktionaliteten hos många moderna, avancerade teknologier beror på den fysiska egenskapen som kallas interkalering. Tyvärr är det svårt att i förväg identifiera vilka av de många möjliga interkalerade materialen som är stabila, vilket kräver mycket laboratoriearbete med försök och fel i produktutvecklingen.
Nu, i en studie som nyligen publicerades i ACS Physical Chemistry Au , har forskare från Institute of Industrial Science, Tokyos universitet och samarbetspartner tagit fram en enkel ekvation som korrekt förutsäger stabiliteten hos interkalerade material. De systematiska designriktlinjerna som möjliggörs av detta arbete kommer att påskynda utvecklingen av kommande högpresterande elektronik och energilagringsenheter.
För att uppskatta forskargruppens prestationer måste vi förstå sammanhanget för denna forskning. Interkalering är det reversibla införandet av gäster (atomer eller molekyler) i värdar (till exempel material i 2D-skikt). Syftet med interkalering är vanligtvis att modifiera värdens egenskaper eller struktur för förbättrad enhetsprestanda, vilket till exempel kan ses i kommersiella litiumjonbatterier.
Även om många syntetiska metoder finns tillgängliga för att förbereda interkalerade material, har forskare inte haft något tillförlitligt sätt att förutsäga vilka värd-gästkombinationer som är stabila. Därför har mycket labbarbete behövts för att ta fram nya interkalerade material för att ge nästa generations enhetsfunktioner. Att minimera detta labbarbete genom att föreslå ett enkelt prediktivt verktyg för värd-gäststabilitet var målet med forskargruppens studie.
"Vi är de första att utveckla exakta prediktiva verktyg för värd-gäst interkalationsenergier och stabiliteten hos interkalerade föreningar", förklarar Naoto Kawaguchi, huvudförfattare till studien. "Vår analys, baserad på en databas med 9 000 föreningar, använder enkla principer från grundutbildningens första års kemi."
En särskild höjdpunkt i arbetet är att endast två gästfastigheter och åtta värdhärledda deskriptorer var nödvändiga för forskarnas energi- och stabilitetsberäkningar. Med andra ord, första "bästa gissningar" var inte nödvändiga; endast den underliggande fysiken hos värd-gästsystemen. Dessutom validerade forskarna sin modell mot nästan 200 uppsättningar av regressionskoefficienter.
"Vi är glada eftersom vår regressionsmodellformulering är okomplicerad och fysiskt rimlig", säger Teruyasu Mizoguchi, senior författare. "Andra beräkningsmodeller i litteraturen saknar en fysisk grund eller validering mot okända interkalerade föreningar."
Detta arbete är ett viktigt steg framåt för att minimera det mödosamma labbarbete som vanligtvis krävs för att förbereda interkalerade material. Med tanke på att många nuvarande och kommande energilagring och elektroniska enheter är beroende av sådana material, kommer den tid och kostnad som krävs för motsvarande forskning och utveckling att minimeras. Följaktligen kommer produkter med avancerade funktioner att nå marknaden snabbare än vad som tidigare varit möjligt.
Mer information: Naoto Kawaguchi et al, Unraveling the Stability of Layered Intercalation Compounds through First-Princips Calculations:Estabishing a Linear Free Energy Relation with Aqueous Ions, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063
Tillhandahålls av University of Tokyo
