Berkeley Lab & FSU Team designer næste generations batterier på atomniveau

Et hold fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Florida State University har designet en ny plan for solid-state-batterier, der er mindre afhængige af specifikke kemiske elementer, især kritiske metaller, der er udfordrende at hente på grund af forsyningskædeproblemer. Deres arbejde, rapporteret for nylig i tidsskriftet Videnskab, kunne fremme solid-state batterier, der er effektive og overkommelige.

Solid-state batterier, der er udråbt for deres høje energitæthed og overlegne sikkerhed, kan være en game-changer for elbilindustrien. Men at udvikle en, der er overkommelig og også ledende nok til at drive en bil hundredvis af kilometer på en enkelt opladning, har længe været en udfordrende hindring at overvinde.

"Med vores nye tilgang til solid-state-batterier behøver du ikke at give afkald på overkommelighed for ydeevne." — Yan Zeng, Berkeley Lab-medarbejder, Materials Sciences Division

"Vores arbejde er det første til at løse dette problem ved at designe en solid elektrolyt med ikke kun ét metal, men med et team af metaller til en overkommelig pris," sagde medforfatter Yan Zeng, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division.

I et lithium-ion-batteri fungerer elektrolytten som en overføringshub, hvor lithium-ioner bevæger sig med elektrisk ladning for enten at drive en enhed eller genoplade batteriet.

Ligesom andre batterier lagrer solid-state-batterier energi og frigiver den derefter til strømforsyning af enheder. Men i stedet for flydende eller polymer gelelektrolytter, der findes i lithium-ion-batterier, bruger de en fast elektrolyt.

Regeringen, forskningen og den akademiske verden har investeret kraftigt i forskning og udvikling af solid state-batterier, fordi de flydende elektrolytter, der er designet til mange kommercielle batterier, er mere tilbøjelige til overophedning, brand og tab af ladning.

Men mange af de solid-state batterier, der er konstrueret indtil videre, er baseret på specifikke typer metaller, der er dyre og ikke tilgængelige i store mængder. Nogle findes slet ikke i USA.

Til den aktuelle undersøgelse, Zeng - sammen med Bin Ouyang, en assisterende professor i kemi og biokemi ved Florida State University - og senior forfatter Gerbrand Ceder, en seniorforsker fra Berkeley Lab-fakultetet og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley, demonstrerede en ny type fast elektrolyt bestående af en blanding af forskellige metalelementer. Zeng og Ouyang udviklede først ideen til dette arbejde, mens de afsluttede deres postdoktorale forskning på Berkeley Lab og UC Berkeley under supervision af Ceder.

De nye materialer kan resultere i en mere ledende fast elektrolyt, der er mindre afhængig af en stor mængde af et enkelt element.

I eksperimenter på Berkeley Lab og UC Berkeley demonstrerede forskerne den nye faste elektrolyt ved at syntetisere og teste flere lithium-ion- og natrium-ion-materialer med flere blandede metaller.

De observerede, at de nye multimetalmaterialer klarede sig bedre end forventet og viste en ionisk ledningsevne flere størrelsesordener hurtigere end enkeltmetalmaterialerne. Ionledningsevne er et mål for, hvor hurtigt lithiumioner bevæger sig for at lede elektrisk ladning.

Forskerne teoretiserer, at blanding af mange forskellige typer metaller sammen skaber nye veje - ligesom tilføjelsen af ​​motorveje på en overbelastet motorvej - hvorigennem lithiumioner kan bevæge sig hurtigt gennem elektrolytten. Uden disse veje ville bevægelsen af ​​lithiumioner være langsom og begrænset, når de bevæger sig gennem elektrolytten fra den ene ende af batteriet til den anden, forklarede Zeng.

For at validere kandidater til multimetaldesignet udførte forskerne avancerede teoretiske beregninger baseret på en metode kaldet density-functional theory på supercomputere ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskoper (STEM) ved Molekylært Støberi, bekræftede forskerne, at hver elektrolyt kun er lavet af én type materiale - hvad forskerne kalder en "enkeltfase" - med usædvanlige forvrængninger, der giver anledning til de nye iontransportveje i dens krystalstruktur.

Opdagelsen muliggør nye muligheder for at designe næste generations ioniske ledere. Det næste trin i denne forskning er at anvende den nye tilgang, som Zeng har udviklet sammen med Ceder på Berkeley Lab, for yderligere at udforske og opdage nye solide elektrolytmaterialer, der kan forbedre batteriets ydeevne yderligere.

Dette arbejde repræsenterer en af ​​de mange måder, hvorpå eksperter på Berkeley Lab Energy Storage Center arbejder på at muliggøre nationens overgang til en ren, overkommelig og robust energifremtid.

Sidste år vandt Ouyang en NERSC High Performance Computing Achievement Award for at "fremme forståelsen af ​​kemisk kortdistanceordre til design af en ny generation af kommercialiserede katodematerialer." Prisen anerkender forskere i den tidlige karriere, der har ydet betydelige bidrag til videnskabelig beregning ved hjælp af NERSC-ressourcer.

Andre videnskabsmænd, der bidrager til dette arbejde, er Young-Woon Byeon og Zijian Cai fra Berkeley Lab, Jue Liu fra Oak Ridge National Laboratory og Lincoln Miara og Yan Wang fra Samsung Advanced Institute of Technology.

Molecular Foundry og NERSC er DOE Office of Science brugerfaciliteter på Berkeley Lab.

Denne forskning blev støttet af DOE Vehicle Technologies Office.

Venligst udlånt af Lawrence Berkeley National Laboratory.

DOE's Office of Science er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning i de fysiske videnskaber i USA, og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer. For mere information, besøg venligst energy.gov/science.

Jeg kan ikke lide betalingsvægge. Du kan ikke lide betalingsvægge. Hvem kan lide betalingsvægge? Her hos CleanTechnica implementerede vi en begrænset betalingsmur i et stykke tid, men det føltes altid forkert - og det var altid svært at beslutte, hvad vi skulle lægge bagved. I teorien går dit mest eksklusive og bedste indhold bag en betalingsmur. Men så læser færre mennesker det! Vi kan bare ikke lide betalingsvægge, og derfor har vi besluttet at droppe vores. Desværre er mediebranchen stadig en hård, hårdhændet forretning med små marginer. Det er en uendelig olympisk udfordring at holde sig oven vande eller endda måske - gisp - vokse. Så …

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/