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【世界播資訊】設(shè)計(jì)原則可以為下一代鋰電池提供更好的電解質(zhì)

2023-06-24 12:20:51 來源:城市網(wǎng)

研究人員表示,分析和設(shè)計(jì)新型離子導(dǎo)體(一種可充電電池的關(guān)鍵部件)的新方法可能會(huì)加速高能鋰電池的開發(fā),以及可能的其他儲(chǔ)能和輸送設(shè)備,如燃料電池。


(相關(guān)資料圖)

新方法依賴于理解振動(dòng)穿過鋰離子導(dǎo)體晶格的方式,并將其與抑制離子遷移的方式聯(lián)系起來。這提供了一種發(fā)現(xiàn)具有增強(qiáng)的離子遷移率的新材料的方法,允許快速充電和放電。同時(shí),該方法可用于降低材料與電池電極的反應(yīng)性,這可縮短其使用壽命。這兩個(gè)特性 - 更好的離子遷移率和低反應(yīng)性 - 傾向于相互排斥。

這個(gè)新概念是由WM Keck能源教授Yang Shao-Horn,研究生Sokseiha Muy,最近畢業(yè)的John Bachman博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。"17,和研究科學(xué)家Livia Giordano,以及麻省理工學(xué)院,橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室以及東京和慕尼黑的九個(gè)機(jī)構(gòu)。

Shao-Horn說,新的設(shè)計(jì)原則已有五年左右的時(shí)間。最初的想法始于她和她的團(tuán)隊(duì)用來理解和控制水分解催化劑的方法,并將其應(yīng)用于離子傳導(dǎo) - 這個(gè)過程不僅是可充電電池的核心,也是其他關(guān)鍵技術(shù),如燃料細(xì)胞和海水淡化系統(tǒng)。當(dāng)帶負(fù)電荷的電子從電池的一極流向另一極(從而為器件提供電力)時(shí),正離子以另一種方式流過電解質(zhì)或離子導(dǎo)體,夾在這些極之間,以完成流動(dòng)。

通常,該電解質(zhì)是液體。溶解在有機(jī)液體中的鋰鹽是當(dāng)今鋰離子電池中常見的電解質(zhì)。但這種物質(zhì)是易燃的,有時(shí)會(huì)使這些電池著火。正在尋找一種可以替代它的固體材料,這將消除這個(gè)問題。

Shao-Horn說,存在各種有希望的固體離子導(dǎo)體,但當(dāng)與鋰離子電池中的正極和負(fù)極接觸時(shí),沒有一種是穩(wěn)定的。因此,尋找具有高離子傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性的新型固體離子導(dǎo)體是至關(guān)重要的。但是,通過許多不同的結(jié)構(gòu)族和組合物進(jìn)行分類以找到最有希望的結(jié)構(gòu),這是大海撈針問題中的經(jīng)典針。這就是新設(shè)計(jì)原則的用武之地。

我們的想法是找到離子電導(dǎo)率與液體相當(dāng)?shù)牟牧?,但具有固體的長期穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)問道:“基本原則是什么?一般結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計(jì)原則是什么,它控制著所需的特性?” Shao-Horn說。研究人員說,理論分析和實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)合現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了一些答案。

“我們意識(shí)到有很多材料可以被發(fā)現(xiàn),但沒有理解或共同原則使我們能夠使發(fā)現(xiàn)過程合理化,”該論文的第一作者M(jìn)uy說。“我們想出了一個(gè)可以包含我們理解并預(yù)測哪些材料將是最好的材料的想法?!?/p>

關(guān)鍵是要看這些固體材料的晶體結(jié)構(gòu)的晶格特性。這決定了諸如被稱為聲子的熱和聲波之類的振動(dòng)如何通過材料。這種觀察結(jié)構(gòu)的新方法最終可以準(zhǔn)確預(yù)測材料的實(shí)際特性?!耙坏┠阒繹給定材料的振動(dòng)頻率],你可以用它來預(yù)測新化學(xué)或解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,”Shao-Horn說。

研究人員觀察到使用該模型確定的晶格特性與鋰離子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率之間存在良好的相關(guān)性。她說:“我們做了一些實(shí)驗(yàn)來實(shí)驗(yàn)性地支持這個(gè)想法”,并發(fā)現(xiàn)結(jié)果很好。

他們特別發(fā)現(xiàn)鋰本身的振動(dòng)頻率可以通過調(diào)整其晶格結(jié)構(gòu),使用化學(xué)取代或摻雜劑巧妙地改變?cè)拥慕Y(jié)構(gòu)排列來微調(diào)。

新概念現(xiàn)在可以提供一種強(qiáng)大的工具,用于開發(fā)新的,性能更好的材料,可以顯著改善可存儲(chǔ)在給定尺寸或重量的電池中的功率,以及提高安全性,研究人員說。他們已經(jīng)使用這種方法找到了一些有希望的候選人。并且該技術(shù)還可以適用于分析用于其他電化學(xué)過程的材料,例如固體氧化物燃料電池,基于膜的脫鹽系統(tǒng)或產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)。

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