Solid-state batterielektrolytt gjør en rask litium-ion-leder – Physics World

Solid-state batterielektrolytt gjør en rask litium-ion-leder – Physics World

Tidsstempel: 13. mars 2024 5:30


Bilde som viser litiumioner (i blått) som beveger seg gjennom den nye solid-state batterielektrolytten
Ioner i bevegelse: Dette bildet representerer litiumionene (i blått) som beveger seg gjennom strukturen. (Med tillatelse: University of Liverpool)

Forskere ved University of Liverpool, Storbritannia har utviklet en ny solid-state batterielektrolytt som leder litiumioner så raskt at den kan konkurrere med de flytende elektrolyttene som finnes i dagens allestedsnærværende litiumionbatterier. Denne høye litiumion-ledningsevnen er en forutsetning for oppladbar energilagring, men den er uvanlig i faste stoffer, som ellers er attraktive for batterier fordi de er tryggere og raskere å lade.

Den nye elektrolytten har den kjemiske formelen Li7Si2S7I og inneholder ordnede sulfid- og jodidioner arrangert i både en sekskantet og kubisk tettpakket struktur. Denne strukturen gjør materialet svært ledende fordi det letter bevegelsen av litiumioner i alle tre dimensjoner. "Man kan se for seg det som en struktur som lar litiumioner ha flere "alternativer" å velge mellom for bevegelse, noe som betyr at det er mindre sannsynlig at de setter seg fast, forklarer Matt Roseinskyden Liverpool kjemiker som ledet forskningen.

Riktig materiale med riktige egenskaper

For å identifisere et materiale som letter denne bevegelsesfriheten, brukte Rosseinsky og kolleger en kombinasjon av kunstig intelligens (AI) og prediksjonsverktøy for krystallstruktur. "Vår opprinnelige idé var å skape en ny strukturell familie av ioneledere inspirert av de komplekse og mangfoldige krystallstrukturene til intermetalliske materialer, som NiZr, for å generere et bredt spekter av potensielle steder for litiumionene å bevege seg mellom," Rosseinsky forklarer. AI og andre programvareverktøy hjalp teamet med å vite hvor de skulle se, selv om "de endelige avgjørelsene alltid ble tatt av forskerne og ikke programvaren".

Etter å ha syntetisert materialet i laboratoriet deres, bestemte forskerne dets struktur med diffraksjonsteknikker og dets litiumionledningsevne med NMR og elektriske transportmålinger. De demonstrerte deretter litium-ion-ledningsevnen eksperimentelt ved å integrere materialet i en battericelle.

Utforsker ukjent kjemi

Roseinskys forskning fokuserer på å designe og oppdage materialer for å støtte en overgang til mer bærekraftige energiformer. Denne typen forskning involverer et bredt utvalg av teknikker, inkludert digitale og automatiserte metoder, utforskende syntese av materialer med nye strukturer og bindinger, og målrettet syntese av materialer med virkelige applikasjoner. "Vår studie brakte alle disse retningene sammen," sier han.

Å oppdage materialer som skiller seg fra kjente er vanskelig, legger Rosseinsky til, ikke minst fordi eventuelle kandidatmaterialer må være eksperimentelt realisert i laboratoriet. Når han og kollegene hans har bestemt et materiales syntetiske kjemi, må de måle dets elektroniske og strukturelle egenskaper. Dette krever uunngåelig tverrfaglig forskning: i dette arbeidet slo Rosseinsky seg sammen med kolleger i Materials Innovation Factoryden Leverhulme forskningssenter for funksjonell materialdesignden Stephenson Institute for Renewable Energy og Albert Crewe Center og School of Engineering så vel som hans egen avdeling for kjemi.

Gjelder for det større feltet av batteriforskning

Prosessen teamet utviklet, som er detaljert i Vitenskap, kan være anvendelig i hele feltet av batteriforskning og utover, sier Roseinsky. "Kunnskapen vi har oppnådd i arbeidet vårt om hvordan man favoriserer rask ionebevegelse i faste stoffer er relevant for andre materialer enn de som brukes i litiumionbatterier og kan generaliseres til andre teknikker som er avhengige av ioneledende materialer," forteller han Fysikkens verden. "Dette inkluderer proton- eller oksidionledende materialer og faststoffbrenselceller eller elektrolysører for hydrogengenerering, samt natrium- og magnesiumledende materialer i alternative batteristrukturer."

Forskerne sier at Li7Si2S7Jeg er sannsynligvis bare den første av mange nye materialer som er tilgjengelige med deres nye tilnærming. "Det er derfor mye å gjøre for å definere hvilke materialer som kan studeres og hvordan deres ionetransportegenskaper kobles til deres strukturer og sammensetninger," konkluderer Rosseinsky.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden