Solid-state batterielektrolyt gør en hurtig lithium-ion-leder – Physics World

Solid-state batterielektrolyt gør en hurtig lithium-ion-leder – Physics World

Tidsstempel: 13. marts 2024 kl. 5:30


Billede, der viser lithium-ioner (i blåt), der bevæger sig gennem den nye solid-state batterielektrolyt
Ioner på farten: Dette billede repræsenterer lithiumionerne (i blåt), der bevæger sig gennem strukturen. (Med høflighed: University of Liverpool)

Forskere ved University of Liverpool, UK har udviklet en ny solid-state batterielektrolyt, der leder lithiumioner så hurtigt, at den kunne konkurrere med de flydende elektrolytter, der findes i nutidens allestedsnærværende lithium-ion batterier. Denne høje lithium-ion-ledningsevne er en forudsætning for genopladelig energilagring, men den er usædvanlig i faste stoffer, som ellers er attraktive for batterier, fordi de er sikrere og hurtigere at oplade.

Den nye elektrolyt har den kemiske formel Li7Si2S7I og indeholder ordnede sulfid- og iodidioner arrangeret i både en hexagonal og kubisk tætpakket struktur. Denne struktur gør materialet meget ledende, fordi det letter bevægelsen af ​​lithiumioner i alle tre dimensioner. "Man kunne forestille sig det som en struktur, der tillader lithium-ioner at have flere 'muligheder' at vælge imellem for bevægelse, hvilket betyder, at de er mindre tilbøjelige til at sidde fast," forklarer Matt Roseinsky, Liverpool kemiker der førte forskningen.

Det rigtige materiale med de rigtige egenskaber

For at identificere et materiale, der letter denne bevægelsesfrihed, brugte Rosseinsky og kollegaer en kombination af kunstig intelligens (AI) og værktøjer til forudsigelse af krystalstruktur. "Vores oprindelige idé var at skabe en ny strukturel familie af ionledere inspireret af de komplekse og forskelligartede krystalstrukturer af intermetalliske materialer, såsom NiZr, for at generere en bred vifte af potentielle steder for lithium-ionerne at bevæge sig imellem," Rosseinsky forklarer. AI og andre softwareværktøjer hjalp teamet med at vide, hvor de skulle lede, selvom "de endelige beslutninger altid blev truffet af forskerne og ikke softwaren".

Efter at have syntetiseret materialet i deres laboratorium, bestemte forskerne dets struktur med diffraktionsteknikker og dets lithium-ion ledningsevne med NMR og elektriske transportmålinger. De demonstrerede derefter lithium-ion-ledningsevnen eksperimentelt ved at integrere materialet i en battericelle.

Udforsker ukendt kemi

Roseinskys forskning fokuserer på at designe og opdage materialer til at understøtte en overgang til mere bæredygtige energiformer. Denne type forskning involverer en bred vifte af teknikker, herunder digitale og automatiserede metoder, udforskende syntese af materialer med nye strukturer og bindinger og målrettet syntese af materialer med virkelige applikationer. "Vores undersøgelse bragte alle disse retninger sammen," siger han.

At opdage materialer, der adskiller sig fra kendte, er svært, tilføjer Roseinsky, ikke mindst fordi eventuelle kandidatmaterialer skal eksperimentelt realiseres i laboratoriet. Når han og hans kolleger har bestemt et materiales syntetiske kemi, skal de måle dets elektroniske og strukturelle egenskaber. Dette kræver uundgåeligt tværfaglig forskning: i dette arbejde gik Roseinsky sammen med kolleger i Materials Innovation Factory, Leverhulme Forskningscenter for Funktionelt Materiale Design, Stephenson Institute for Renewable Energy og Albert Crewe Center og School of Engineering såvel som hans egen afdeling for kemi.

Gælder for det større felt inden for batteriforskning

Den proces holdet udviklede, som er detaljeret i Videnskab, kunne være anvendelig i hele feltet af batteriforskning og videre, siger Roseinsky. "Den viden, vi har opnået i vores arbejde om, hvordan man favoriserer hurtig ionbevægelse i faste stoffer, er relevant for andre materialer end dem, der anvendes i lithium-ion-batterier og kan generaliseres til andre teknikker, der er afhængige af ionledende materialer," fortæller han Fysik verden. "Dette inkluderer proton- eller oxidionledende materialer og faststofbrændselsceller eller elektrolysatorer til brintgenerering samt natrium- og magnesiumledende materialer i alternative batteristrukturer."

Forskerne siger, at Li7Si2S7Jeg er sandsynligvis kun den første af mange nye materialer, der er tilgængelige med deres nye tilgang. "Der er således meget at gøre for at definere, hvilke materialer der kan studeres, og hvordan deres iontransportegenskaber hænger sammen med deres strukturer og sammensætninger," konkluderer Roseinsky.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden