Принципы проектирования могут указывать на лучшие электролиты для литиевых батарей следующего поколения.

Новый подход к анализу и разработке новых ионных проводников – ключевого компонента перезаряжаемых батарей – может ускорить разработку высокоэнергетических литиевых батарей и, возможно, других устройств хранения и доставки энергии, таких как топливные элементы, говорят исследователи .

Диаграмма иллюстрирует кристаллическую решетку предлагаемого электролитного материала батареи под названием Li3PO4. Исследователи обнаружили, что измерение того, как колебания звука движутся через решетку, может показать, насколько хорошо ионы – электрически заряженные атомы или молекулы – могут проходить через твердый материал, и поэтому как они будут работать в реальной батарее. На этой диаграмме атомы кислорода показаны красным, пурпурные пирамидоподобные формы представляют собой фосфатные (PO4) молекулы. Оранжевая и зеленая сферы – это ионы лития.

Новый подход основан на понимании того, как колебания движутся через кристаллическую решетку литий-ионных проводников и коррелируют с тем, что они препятствуют миграции ионов. Это обеспечивает возможность обнаружения новых материалов с повышенной подвижностью ионов, что позволяет быстро заряжать и разряжать. В то же время этот метод может быть использован для снижения реактивности материала с электродами батареи, что может сократить срок его службы. Эти две характеристики – лучшая мобильность ионов и низкая реактивность – имеют тенденцию быть взаимоисключающими.

Новая концепция была разработана командой во главе с W.M. Кек Профессор энергии Ян Шао-Хорн, аспирант Соксиха Муй, недавний выпускник Джон Бахман, доктор философии 17, и научный сотрудник Ливия Джордано, а также девять человек в Массачусетском технологическом институте, Национальная лаборатория Ок-Ридж и учреждения в Токио и Мюнхене. Их результаты были опубликованы в журнале Energy and Environmental Science.

Новый принцип дизайна составляет около пяти лет, говорит Шао-Хорн. Первоначальное мышление начиналось с подхода, который она и ее группа использовали для понимания и контроля катализаторов для разделения воды и применения его к ионной проводимости – процесса, который лежит в основе не только перезаряжаемых батарей, но и других ключевых технологий, таких как топливо клеток и систем обессоливания. В то время как электроны с их отрицательным зарядом течет от одного полюса батареи к другому (таким образом, обеспечивая мощность для устройств), положительные ионы текут другим путем через электролит или ионный проводник, зажатый между этими полюсами, для завершения потока .

Как правило, этот электролит представляет собой жидкость. Литиевая соль, растворенная в органической жидкости, является обычным электролитом в современных литиево-ионных батареях. Но это вещество легко воспламеняется и иногда заставляет эти батареи загореться. Поиск был сделан для замены твердого материала, который устранит эту проблему.

Существует множество перспективных проводников твердых ионов, но ни один из них не стабилен при контакте с положительным и отрицательным электродами в литий-ионных батареях, говорит Шао-Хорн. Поэтому поиск новых твердотельных ионных проводников с высокой ионной проводимостью и стабильностью является критическим. Но сортировка по многим различным структурным семействам и композициям для поиска наиболее перспективных – классическая игла в проблеме сена. Вот здесь и появился новый принцип дизайна.

Идея состоит в том, чтобы найти материалы с ионной проводимостью, сравнимые с проводимостью жидкостей, но с долговременной устойчивостью твердых тел. Команда спросила: «Каков основной принцип? Каковы принципы проектирования на общем структурном уровне, которые определяют желаемые свойства? »- говорит Шао-Хорн. По словам исследователей, сочетание теоретического анализа и экспериментальных измерений дает некоторые ответы.

«Мы поняли, что есть много материалов, которые можно было бы открыть, но не понимание или общий принцип, который позволяет нам рационализировать процесс обнаружения», – говорит Муй, ведущий автор статьи. «Мы придумали идею, которая могла бы инкапсулировать наше понимание и предсказать, какие материалы будут одними из лучших».

Ключ должен был смотреть на свойства решетки кристаллических структур этих твердых материалов. Это определяет, как вибрации, такие как волны тепла и звука, известные как фононы, проходят через материалы. Этот новый способ взглянуть на структуры позволил точно предсказать фактические свойства материалов. «Как только вы знаете [the vibrational frequency of a given material]вы можете использовать его для прогнозирования новой химии или для объяснения экспериментальных результатов», – говорит Шао-Хорн.

Исследователи обнаружили хорошую корреляцию между свойствами решетки, определенными с использованием модели, и проводимостью проводника материала литиевого иона. «Мы провели эксперименты, чтобы экспериментально поддержать эту идею», – считает она.

Они обнаружили, в частности, что колебательная частота самого лития может быть точно отрегулирована путем настройки ее структуры решетки с использованием химического замещения или легирующих примесей для тонкого изменения структурного расположения атомов.

Новая концепция теперь может стать мощным инструментом для разработки новых, более эффективных материалов, которые могут привести к резкому улучшению количества энергии, которая может быть сохранена в батарее определенного размера или веса, а также для повышения безопасности , говорят исследователи. Уже они использовали метод, чтобы найти многообещающих кандидатов. Приемы также могут быть адаптированы для анализа материалов для других электрохимических процессов, таких как твердооксидные топливные элементы, мембранные системы обессоливания или реакции, вызывающие кислород.

Команда включала Хао-Хсуна Чанга в Массачусетском технологическом институте; Дуглас Абернати, Дипаншу Бансал и Оливье Делар в Оук-Ридж; Сантоши Хори и Риоджи Канно в Токийском технологическом институте; и Филиппо Маглия, Саскиа Лупарт и Питер Ламп в исследовательской аккумуляторной технологии в BMW Group в Мюнхене. Работа была поддержана БМВ, Национальным научным фондом и Министерством энергетики США.

Source link