Resumen - Un Descriptor Semi-Empírico para Tensión de Circuito Abierto

Un Descriptor Semi-Empírico para Tensión de Circuito Abierto

2025-07-10 13:36:21

{"Sourav Baiju","Mark Huijben","Payam Kaghazhi"}

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El documento presenta un modelo semi-empírico para predecir el voltaje de circuito abierto (OCV) de los materiales catódicos en baterías de Na/Li, específicamente enfocándose en los óxidos de metales de transición de capas (TMOs). El OCV es un factor crucial para determinar la densidad energética de las baterías, ya que está directamente relacionado con la estructura electrónica del material catódico. Los autores proponen un marco teórico que descompone la energía interna de un TMO en componentes distinguidos, facilitando su cálculo y obtención de bases de datos experimentales. Este marco se centra en las contribuciones energéticas clave que gobiernan la estabilidad de fase y la transferencia de carga durante la intercalación. De esta manera, el modelo permite una estimación rápida de los voltajes promedio y los pasos de voltaje entre fases intermedias. El modelo se basa en el concepto de que la energía interna total de un sistema es una combinación de múltiples contribuciones, incluyendo interacciones electrostáticas, energía cinética, energía de intercambio-correlación, energías de ionización y energía de relajación de la celda cristalina. Los autores identifican dos componentes críticos para gobernar el paisaje energético: la diferencia en energía electrostática entre fases adyacentes y la energía de ionización. Para validar el marco de descomposición energética propuesto, los autores seleccionaron 14 composiciones de TMOs diferentes con 7 elementos de metales de transición (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni) y dos portadores de carga (Na y Li) para un análisis sistemático. Calcularon la energía interna para todas las 14 composiciones y sus fases intermedias y las ajustaron contra energías totales de puntos singulares de referencia DFT en las concentraciones correspondientes. Los autores introdujeron un parámetro de ajuste ϵ, que captura diferencias sistemáticas entre energías computadas por DFT y sus counterparts iónicos idealizados, no interaccionantes. Proponen que ϵ podría corresponder a la constante dieléctrica efectiva del sistema material, ya que muestra tendencias sistemáticas y químicamente intuitivas a través de ambos óxidos de metales de transición basados en Li y Na (TMOs). Los autores también construyeron cilindros convexos de las energías de formación para cada una de las 14 composiciones investigadas, demostrando que el modelo SE reproduce con éxito el cilindro DFT para ambos sistemas basados en Na y Li. Los perfiles de voltaje predichos por el modelo SE muestran una precisión razonable en comparación con aquellos obtenidos de cálculos DFT, especialmente en términos de voltajes promedio a lo largo de todo el rango de concentración. En conclusión, el modelo semi-empírico ofrece un equilibrio valioso entre eficiencia computacional y precisión física. Proporciona una herramienta práctica para la estimación rápida de la energía y el análisis de estabilidad de fase en sistemas de óxidos complejos, haciendo que sea particularmente atractivo para la búsqueda a gran escala y la predicción de estabilidad en sistemas materiales complejos.