يقوم فريق Berkeley Lab وFSU بتصميم بطاريات الجيل التالي على المستوى الذري

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

فريق من مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) و جامعة ولاية فلوريدا صممت مخططًا جديدًا لبطاريات الحالة الصلبة التي تكون أقل اعتمادًا على عناصر كيميائية محددة، وخاصة المعادن الحرجة التي يصعب الحصول عليها من المصدر بسبب مشكلات سلسلة التوريد. عملهم، ذكرت مؤخرا في المجلة علوم, يمكن أن تقدم بطاريات الحالة الصلبة التي تتسم بالكفاءة وبأسعار معقولة.

يمكن لبطاريات الحالة الصلبة، التي توصف بكثافة الطاقة العالية والسلامة الفائقة، أن تغير قواعد اللعبة في صناعة السيارات الكهربائية. لكن تطوير جهاز ميسور التكلفة وموصل بدرجة كافية لتشغيل سيارة لمئات الأميال بشحنة واحدة كان منذ فترة طويلة عقبة صعبة يجب التغلب عليها.

"مع نهجنا الجديد تجاه بطاريات الحالة الصلبة، لن تضطر إلى التخلي عن القدرة على تحمل التكاليف مقابل الأداء." — يان تسنغ، عالم في مختبر بيركلي، قسم علوم المواد

<img aria-describedby="caption-attachment-288350" data-attachment-id="288350" data-permalink="https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/portait-yan-zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704/" data-orig-file="https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704-1.jpg" data-orig-size="628,704" data-comments-opened="1" data-image-meta="{"aperture":"0","credit":"","camera":"","caption":"","created_timestamp":"0","copyright":"","focal_length":"0","iso":"0","shutter_speed":"0","title":"","orientation":"0"}" data-image-title="Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704" data-image-description data-image-caption="

يان تسنغ، عالم في مختبر بيركلي (Credit: Yan Zeng)

” data-medium-file =”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level-1. jpg” data-large-file=”https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704-1.jpg” decoding=”async” Loading=”lazy” class=”size-medium wp-image-288350″ src=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next- gen-batteries-at-atomic-level-1.jpg” alt width=”357″ height=”400″ srcset=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab- fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level-1.jpg 357 واط، https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624 -628×704-1.jpg 628 واط” الأحجام =”(أقصى عرض: 357 بكسل) 100 فولت واط، 357 بكسل”>

يان تسنغ، عالم في مختبر بيركلي (Credit: Yan Zeng)

قال المؤلف الأول المشارك يان تسنغ، وهو عالم في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي: "إن عملنا هو أول من يحل هذه المشكلة من خلال تصميم إلكتروليت صلب ليس فقط بمعدن واحد ولكن مع فريق من المعادن بأسعار معقولة".

في بطارية الليثيوم أيون، يعمل الإلكتروليت كمركز نقل حيث تتحرك أيونات الليثيوم بشحنة كهربائية إما لتشغيل الجهاز أو إعادة شحن البطارية.

مثل البطاريات الأخرى، تقوم بطاريات الحالة الصلبة بتخزين الطاقة ثم إطلاقها لتشغيل الأجهزة. ولكن بدلاً من الشوارد السائلة أو هلام البوليمر الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون، فإنها تستخدم إلكتروليتًا صلبًا.

لقد استثمرت الحكومة والأبحاث والأوساط الأكاديمية بشكل كبير في البحث وتطوير بطاريات الحالة الصلبة لأن الإلكتروليتات السائلة المصممة للعديد من البطاريات التجارية أكثر عرضة لارتفاع درجة الحرارة والحرائق وفقدان الشحن.

ومع ذلك، فإن العديد من بطاريات الحالة الصلبة التي تم تصنيعها حتى الآن تعتمد على أنواع محددة من المعادن باهظة الثمن وغير متوفرة بكميات كبيرة. بعضها غير موجود على الإطلاق في الولايات المتحدة.

بالنسبة للدراسة الحالية، قام تسنغ - مع بن أويانغ، الأستاذ المساعد في الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة ولاية فلوريدا - والمؤلف الرئيسي جربراند سيدر، أحد كبار العلماء في كلية بيركلي لاب وأستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، أظهر نوعًا جديدًا من المنحل بالكهرباء الصلب يتكون من مزيج من العناصر المعدنية المختلفة. قام تسنغ وأويانغ بتطوير فكرة هذا العمل لأول مرة أثناء الانتهاء من أبحاث ما بعد الدكتوراه في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي تحت إشراف سيدر.

يمكن أن تؤدي المواد الجديدة إلى إلكتروليت صلب أكثر موصلية وأقل اعتمادًا على كمية كبيرة من عنصر فردي.

<img aria-describedby = "caption-attachment-288348" data-attachment-id = "288348" data-permalink = "https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs -next-gen-batteries-at-atomic-level/2023_lithium-solid-state_gif_4/" data-orig-file = "https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu -team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level.gif" data-orig-size = "1240,500" data-comments-opened = "1" data-image-meta = "{"فتحة" :"0"، "الائتمان": ""، "الكاميرا": ""، "caption": ""، "created_timestamp": "0"، "حقوق النشر": ""، "focal_length": "0"، " iso "0"، "shutter_speed": "0"، "title": ""، "orientation": "0"}" data-image-title = "2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4" بيانات وصف الصورة -صورة توضيحية = "

يظهر على اليسار: إلكتروليت تقليدي صلب "مرتب" مصنوع من نوع واحد فقط من المعدن (المجالات الزرقاء). حركة أيونات الليثيوم (الكرة الصفراء) بطيئة ومحدودة، مما يعيق توصيل الأيونات وأداء البطارية. (المجالات الرمادية تمثل الأكسجين.) يظهر على اليمين: تتحرك الأيونات بشكل أسرع بكثير من خلال المنحل بالكهرباء الصلب "المضطرب": يؤدي خلط أنواع مختلفة من المعادن (المجالات الزرقاء والزرقاء والبحرية) إلى إنشاء مسارات جديدة ــ تشبه إلى حد كبير إضافة الطرق السريعة على طريق سريع مزدحم ــ والتي من خلالها يمكن لأيونات الليثيوم أن تتحرك بسرعة عبر المنحل بالكهرباء. (الائتمان: جيني نوس / مختبر بيركلي)

” data-medium-file =”https://cleantechnica.com/files/2023/02/2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4-400×161.gif” data-large-file =”https://cleantechnica.com/files /2023/02/2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4-800×323.gif” decoding=”async” upload=”lazy” class=”wp-image-288348 size-full” src=”https://platoaistream.net/ wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level.gif” alt width=”1240″ height=”500″>

يظهر على اليسار: إلكتروليت تقليدي صلب "مرتب" مصنوع من نوع واحد فقط من المعدن (المجالات الزرقاء). حركة أيونات الليثيوم (الكرة الصفراء) بطيئة ومحدودة، مما يعيق توصيل الأيونات وأداء البطارية. (المجالات الرمادية تمثل الأكسجين.) يظهر على اليمين: تتحرك الأيونات بشكل أسرع بكثير من خلال المنحل بالكهرباء الصلب "المضطرب": يؤدي خلط أنواع مختلفة من المعادن (المجالات الزرقاء والزرقاء والبحرية) إلى إنشاء مسارات جديدة - تشبه إلى حد كبير إضافة الطرق السريعة على طريق سريع مزدحم - والتي من خلالها يمكن لأيونات الليثيوم أن تتحرك بسرعة عبر المنحل بالكهرباء. (الائتمان: جيني نوس / مختبر بيركلي)

وفي تجارب أجريت في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، أظهر الباحثون المنحل بالكهرباء الصلب الجديد عن طريق تصنيع واختبار العديد من مواد أيون الليثيوم وأيونات الصوديوم مع معادن مختلطة متعددة.

ولاحظوا أن المواد الجديدة متعددة المعادن كان أداؤها أفضل من المتوقع، حيث أظهرت موصلية أيونية أسرع بعدة مرات من المواد أحادية المعدن. الموصلية الأيونية هي قياس لمدى سرعة تحرك أيونات الليثيوم لتوصيل الشحنة الكهربائية.

ويرى الباحثون أن خلط العديد من أنواع المعادن المختلفة معًا يخلق مسارات جديدة - تشبه إلى حد كبير إضافة طرق سريعة على طريق سريع مزدحم - يمكن لأيونات الليثيوم من خلالها التحرك بسرعة عبر المنحل بالكهرباء. وأوضح تسنغ أنه بدون هذه المسارات، ستكون حركة أيونات الليثيوم بطيئة ومحدودة عندما تنتقل عبر المنحل بالكهرباء من أحد طرفي البطارية إلى الطرف الآخر.

للتحقق من صحة المرشحين للتصميم متعدد المعادن، أجرى الباحثون حسابات نظرية متقدمة تعتمد على طريقة تسمى نظرية الكثافة الوظيفية على أجهزة الكمبيوتر العملاقة في المركز الوطني لأبحاث علوم الطاقة (نيرسك). استخدام المجاهر الإلكترونية الماسحة (STEM) في مسبك جزيئيأكد الباحثون أن كل إلكتروليت يتكون من نوع واحد فقط من المواد - ما يسميه العلماء "مرحلة واحدة" - مع تشوهات غير عادية تؤدي إلى ظهور مسارات نقل أيونية جديدة في بنيته البلورية.

يتيح هذا الاكتشاف فرصًا جديدة لتصميم الموصلات الأيونية من الجيل التالي. تتمثل الخطوة التالية في هذا البحث في تطبيق النهج الجديد الذي طوره Zeng مع Ceder في Berkeley Lab لمواصلة استكشاف واكتشاف مواد إلكتروليت صلبة جديدة يمكنها تحسين أداء البطارية بشكل أكبر.

يمثل هذا العمل إحدى الطرق العديدة التي يستخدمها الخبراء في مركز بيركلي لاب لتخزين الطاقة نعمل على تمكين انتقال البلاد إلى مستقبل طاقة نظيف وبأسعار معقولة ومرن.

في العام الماضي، فاز أويانغ أ جائزة NERSC للإنجاز في مجال الحوسبة عالية الأداء "لتعزيز فهم النظام الكيميائي قصير المدى لتصميم جيل جديد من مواد الكاثود التجارية." تُمنح الجائزة للعلماء في بداية حياتهم المهنية والذين قدموا مساهمات كبيرة في الحساب العلمي باستخدام موارد NERSC.

العلماء الآخرون الذين ساهموا في هذا العمل هم يونغ وون بيون وزيجيان كاي من مختبر بيركلي، وجوي ليو من مختبر أوك ريدج الوطني، ولينكولن ميارا ويان وانغ من معهد سامسونج المتقدم للتكنولوجيا.

يعد Molecular Foundry وNERSC من مرافق المستخدم التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في مختبر بيركلي.

تم دعم هذا البحث من قبل مكتب تقنيات المركبات التابع لوزارة الطاقة.

من باب المجاملة مختبر لورانس بيركلي الوطني.

مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة هي أكبر داعم للأبحاث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة، وتعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة power.gov/science.

أنا لا أحب نظام حظر الاشتراك غير المدفوع. أنت لا تحب نظام حظر الاشتراك غير المدفوع. من يحب نظام حظر الاشتراك غير المدفوع؟ هنا في CleanTechnica ، طبقنا جدارًا محدودًا غير مدفوع لفترة من الوقت ، لكننا شعرنا دائمًا بالخطأ - وكان من الصعب دائمًا تحديد ما يجب أن نضعه وراءنا. من الناحية النظرية ، فإن المحتوى الأكثر حصرية وأفضلها يتخلف عن نظام حظر الاشتراك غير المدفوع. ولكن بعد ذلك قلة من الناس يقرؤونها! نحن فقط لا نحب أنظمة حظر الاشتراك غير المدفوع ، ولذا قررنا التخلص من جدراننا. لسوء الحظ ، لا يزال العمل الإعلامي عملاً صعبًا وقاطعًا بهوامش ضئيلة. إنه تحدٍ أولمبي لا ينتهي أن تبقى فوق الماء أو ربما - لهاث - ينمو. لذا …