Festkörperbatterie-Elektrolyt ergibt einen schnellen Lithium-Ionen-Leiter – Physics World

Forscher der Universität Liverpool im Vereinigten Königreich haben einen neuen Festkörper-Batterieelektrolyten entwickelt, der Lithiumionen so schnell leitet, dass er mit den flüssigen Elektrolyten konkurrieren könnte, die in den heute allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien zu finden sind. Diese hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit ist eine Voraussetzung für die wiederaufladbare Energiespeicherung, bei Festkörpern ist sie jedoch ungewöhnlich attraktiv für Batterien, weil sie sicherer und schneller aufzuladen sind.

Der neue Elektrolyt hat die chemische Formel Li₇Si₂S₇I und enthält geordnete Sulfid- und Iodidionen, die sowohl in einer hexagonalen als auch kubisch-dichtesten Packungsstruktur angeordnet sind. Diese Struktur macht das Material hochleitfähig, da sie die Bewegung von Lithiumionen in allen drei Dimensionen erleichtert. „Man könnte es sich als eine Struktur vorstellen, die es Lithium-Ionen ermöglicht, mehr ‚Optionen‘ für ihre Bewegung auszuwählen, was bedeutet, dass sie weniger wahrscheinlich stecken bleiben“, erklärt Matt Rosseinsky, der Liverpooler Chemiker wer leitete die Forschung

Das richtige Material mit den richtigen Eigenschaften

Um ein Material zu identifizieren, das diese Bewegungsfreiheit ermöglicht, verwendeten Rosseinsky und Kollegen eine Kombination aus künstlicher Intelligenz (KI) und Werkzeugen zur Vorhersage der Kristallstruktur. „Unsere ursprüngliche Idee bestand darin, eine neue Strukturfamilie von Ionenleitern zu schaffen, die von den komplexen und vielfältigen Kristallstrukturen intermetallischer Materialien wie NiZr inspiriert ist, um ein breites Spektrum potenzieller Orte für die Bewegung der Lithiumionen zu schaffen“, sagte Rosseinsky erklärt. KI und andere Softwaretools halfen dem Team zu wissen, wo es suchen musste, obwohl „die endgültigen Entscheidungen immer von den Forschern und nicht von der Software getroffen wurden“.

Nachdem sie das Material in ihrem Labor synthetisiert hatten, bestimmten die Forscher seine Struktur mit Beugungstechniken und seine Lithiumionenleitfähigkeit mit NMR- und elektrischen Transportmessungen. Anschließend demonstrierten sie die Effizienz der Lithium-Ionen-Leitfähigkeit experimentell, indem sie das Material in eine Batteriezelle integrierten.

Erforschung unbekannter Chemie

Rosseinskys Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und Entdeckung von Materialien, die den Übergang zu nachhaltigeren Energieformen unterstützen. Diese Art der Forschung umfasst eine Vielzahl von Techniken, darunter digitale und automatisierte Methoden, explorative Synthese von Materialien mit neuen Strukturen und Bindungen sowie die gezielte Synthese von Materialien mit realen Anwendungen. „Unsere Studie hat alle diese Richtungen zusammengeführt“, sagt er.

Es sei schwierig, Materialien zu entdecken, die sich von bekannten unterscheiden, fügt Rosseinsky hinzu, nicht zuletzt, weil alle Kandidatenmaterialien im Labor experimentell realisiert werden müssen. Sobald er und seine Kollegen die Synthesechemie eines Materials bestimmt haben, müssen sie anschließend seine elektronischen und strukturellen Eigenschaften messen. Dies erfordert zwangsläufig interdisziplinäre Forschung: In der vorliegenden Arbeit arbeitete Rosseinsky mit Kollegen aus dem zusammen Materialinnovationsfabrik, der Leverhulme Forschungszentrum für funktionales Materialdesign, der Stephenson-Institut für erneuerbare Energien und für Albert Crewe Center und School of Engineering sowie sein eigenes Institut für Chemie.

Anwendbar auf den größeren Bereich der Batterieforschung

Der vom Team entwickelte Prozess, der detailliert beschrieben wird in Wissenschaft, könnte im gesamten Bereich der Batterieforschung und darüber hinaus anwendbar sein, sagt Rosseinsky. „Die in unserer Arbeit gewonnenen Erkenntnisse darüber, wie schnelle Ionenbewegungen in Festkörpern begünstigt werden können, sind für andere Materialien als die, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, relevant und lassen sich auf andere Techniken übertragen, die auf ionenleitenden Materialien basieren“, erklärt er Physik-Welt. „Dazu gehören protonen- oder oxidionenleitende Materialien und Festkörperbrennstoffzellen oder Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung sowie Natrium- und Magnesium-leitende Materialien in alternativen Batteriestrukturen.“

Die Forscher sagen, dass Li₇Si₂S₇Ich bin wahrscheinlich nur das erste von vielen neuen Materialien, die mit ihrem neuen Ansatz zugänglich sind. „Es gibt also noch viel zu tun bei der Definition, welche Materialien untersucht werden können und wie ihre Ionentransporteigenschaften mit ihren Strukturen und Zusammensetzungen zusammenhängen“, schließt Rosseinsky.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/solid-state-battery-electrolyte-makes-a-fast-lithium-ion-conductor/