Chất điện phân pin thể rắn tạo ra chất dẫn lithium-ion nhanh – Thế giới vật lý

Chất điện phân pin thể rắn tạo ra chất dẫn lithium-ion nhanh – Thế giới vật lý

Dấu thời gian: Ngày 13 tháng 2024 năm 5 30:XNUMX sáng


Hình ảnh cho thấy các ion lithium (màu xanh lam) di chuyển qua chất điện phân pin thể rắn mới
Các ion đang di chuyển: Hình ảnh này thể hiện các ion lithium (màu xanh lam) đang di chuyển qua cấu trúc. (Ảnh: Đại học Liverpool)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Liverpool, Vương quốc Anh đã phát triển một chất điện phân pin thể rắn mới có khả năng dẫn các ion lithium nhanh đến mức có thể cạnh tranh với các chất điện phân lỏng có trong pin lithium-ion phổ biến hiện nay. Độ dẫn điện lithium-ion cao này là điều kiện tiên quyết để lưu trữ năng lượng có thể sạc lại, nhưng nó không bình thường ở chất rắn. hấp dẫn đối với pin vì chúng an toàn hơn và sạc nhanh hơn.

Chất điện phân mới có công thức hóa học Li7Si2S7I và chứa các ion sunfua và iodua có trật tự được sắp xếp theo cấu trúc lục giác và xếp kín. Cấu trúc này làm cho vật liệu có tính dẫn điện cao vì nó tạo điều kiện cho các ion lithium chuyển động theo cả ba chiều. “Người ta có thể hình dung nó như một cấu trúc cho phép các ion lithium có nhiều 'tùy chọn' hơn để chuyển động, điều đó có nghĩa là chúng ít có khả năng bị kẹt hơn," giải thích Matt Rosseinsky, Các Nhà hóa học Liverpool người đứng đầu cuộc nghiên cứu.

Vật liệu phù hợp với đặc tính phù hợp

Để xác định loại vật liệu hỗ trợ sự tự do di chuyển này, Rosseinsky và các đồng nghiệp đã sử dụng kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và các công cụ dự đoán cấu trúc tinh thể. Rosseinsky cho biết: “Ý tưởng ban đầu của chúng tôi là tạo ra một họ cấu trúc mới của các chất dẫn ion lấy cảm hứng từ cấu trúc tinh thể phức tạp và đa dạng của vật liệu liên kim loại, chẳng hạn như NiZr, để tạo ra nhiều vị trí tiềm năng cho các ion lithium di chuyển giữa”. giải thích. AI và các công cụ phần mềm khác đã giúp nhóm biết phải tìm ở đâu, mặc dù “các quyết định cuối cùng luôn do các nhà nghiên cứu đưa ra chứ không phải phần mềm”.

Sau khi tổng hợp vật liệu trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã xác định cấu trúc của nó bằng kỹ thuật nhiễu xạ và độ dẫn điện lithium-ion của nó bằng NMR và các phép đo vận chuyển điện. Sau đó, họ chứng minh hiệu suất dẫn điện của lithium-ion bằng thực nghiệm bằng cách tích hợp vật liệu này vào pin.

Khám phá hóa học chưa được khám phá

Nghiên cứu của Rosseinsky tập trung vào việc thiết kế và khám phá các vật liệu hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các dạng năng lượng bền vững hơn. Loại nghiên cứu này bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm các phương pháp kỹ thuật số và tự động, tổng hợp thăm dò các vật liệu có cấu trúc và liên kết mới, cũng như tổng hợp các vật liệu có mục tiêu với các ứng dụng trong thế giới thực. “Nghiên cứu của chúng tôi đã kết hợp tất cả các hướng này lại với nhau,” ông nói.

Rosseinsky cho biết thêm, việc khám phá ra những vật liệu khác với những vật liệu đã biết là rất khó, đặc biệt là vì bất kỳ vật liệu ứng cử viên nào cũng phải được thực hiện bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Sau khi ông và các đồng nghiệp đã xác định được tính chất hóa học tổng hợp của vật liệu, họ phải đo các đặc tính điện tử và cấu trúc của vật liệu đó. Điều này chắc chắn đòi hỏi nghiên cứu liên ngành: trong công việc hiện tại, Rosseinsky đã hợp tác với các đồng nghiệp trong Nhà máy đổi mới vật liệu, Các Trung tâm Nghiên cứu Leverhulme về Thiết kế Vật liệu Chức năng, Các Viện năng lượng tái tạo Stephenson và Trung tâm Albert Crewe và Trường Kỹ thuật cũng như của riêng anh ấy khoa hóa học.

Áp dụng cho lĩnh vực nghiên cứu pin lớn hơn

Quy trình mà nhóm đã phát triển được trình bày chi tiết trong Khoa họcRosseinsky cho biết, có thể áp dụng trong toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu pin và hơn thế nữa. “Kiến thức thu được trong nghiên cứu của chúng tôi về cách thúc đẩy chuyển động ion nhanh trong chất rắn có liên quan đến các vật liệu khác ngoài những vật liệu được sử dụng trong pin lithium-ion và có thể khái quát hóa cho các kỹ thuật khác dựa trên vật liệu dẫn ion,” ông nói. Thế giới vật lý. “Điều này bao gồm các vật liệu dẫn ion proton hoặc oxit và pin nhiên liệu thể rắn hoặc máy điện phân để tạo ra hydro, cũng như các vật liệu dẫn natri và magie trong các cấu trúc pin thay thế.”

Các nhà nghiên cứu cho rằng Li7Si2S7Tôi có thể chỉ là tài liệu đầu tiên trong số nhiều tài liệu mới có thể tiếp cận được bằng cách tiếp cận mới của họ. Rosseinsky kết luận: “Có rất nhiều việc phải làm trong việc xác định những vật liệu nào có thể được nghiên cứu và cách các đặc tính vận chuyển ion của chúng kết nối với cấu trúc và thành phần của chúng”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý