Das Berkeley Lab und das FSU-Team entwickeln Batterien der nächsten Generation auf atomarer Ebene

Ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und Florida State University hat einen neuen Entwurf für Festkörperbatterien entwickelt, die weniger von bestimmten chemischen Elementen abhängig sind, insbesondere von kritischen Metallen, deren Beschaffung aufgrund von Lieferkettenproblemen schwierig ist. Über ihre Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift berichtet Wissenschaft, könnte Festkörperbatterien vorantreiben, die effizient und erschwinglich sind.

Festkörperbatterien werden für ihre hohe Energiedichte und überlegene Sicherheit gepriesen und könnten für die Elektroautoindustrie von entscheidender Bedeutung sein. Aber die Entwicklung eines Geräts, das erschwinglich und gleichzeitig leitfähig genug ist, um ein Auto mit einer einzigen Ladung Hunderte von Kilometern zurückzulegen, war lange Zeit eine schwierige Hürde, die es zu überwinden galt.

„Mit unserem neuen Ansatz für Festkörperbatterien müssen Sie nicht auf Erschwinglichkeit zugunsten der Leistung verzichten.“ — Yan Zeng, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Berkeley Lab, Abteilung Materialwissenschaften

„Unsere Arbeit ist die erste, die dieses Problem löst, indem sie einen Festelektrolyten nicht nur mit einem Metall, sondern mit einem Team erschwinglicher Metalle entwickelt“, sagte Co-Erstautor Yan Zeng, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab.

In einer Lithium-Ionen-Batterie funktioniert der Elektrolyt wie ein Transferknotenpunkt, an dem sich Lithiumionen mit elektrischer Ladung bewegen, um entweder ein Gerät mit Strom zu versorgen oder die Batterie aufzuladen.

Festkörperbatterien speichern wie andere Batterien Energie und geben sie dann an die Stromversorgung von Geräten ab. Anstelle der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten flüssigen oder polymeren Gel-Elektrolyten verwenden sie jedoch einen festen Elektrolyten.

Regierung, Forschung und Wissenschaft haben stark in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, da die für viele kommerzielle Batterien entwickelten flüssigen Elektrolyte anfälliger für Überhitzung, Feuer und Ladungsverlust sind.

Allerdings basieren viele der bisher hergestellten Festkörperbatterien auf bestimmten Metallarten, die teuer und nicht in großen Mengen verfügbar sind. Einige kommen in den Vereinigten Staaten überhaupt nicht vor.

Für die aktuelle Studie war Zeng – zusammen mit Bin Ouyang, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der Florida State University – und leitender Autor Gerbrand Zeder, ein leitender Wissenschaftler der Berkeley Lab-Fakultät und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, demonstrierte einen neuen Typ eines Festelektrolyten, der aus einer Mischung verschiedener Metallelemente besteht. Zeng und Ouyang entwickelten die Idee für diese Arbeit erstmals, als sie ihre Postdoktorandenforschung am Berkeley Lab und der UC Berkeley unter der Aufsicht von Ceder abschlossen.

Die neuen Materialien könnten zu einem leitfähigeren Festelektrolyten führen, der weniger von einer großen Menge eines einzelnen Elements abhängig ist.

In Experimenten im Berkeley Lab und an der UC Berkeley demonstrierten die Forscher den neuen Festelektrolyten, indem sie mehrere Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Materialien mit mehreren gemischten Metallen synthetisierten und testeten.

Sie stellten fest, dass die neuen Multimetallmaterialien eine bessere Leistung als erwartet erbrachten und eine um mehrere Größenordnungen schnellere Ionenleitfähigkeit aufwiesen als die Einmetallmaterialien. Die Ionenleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell sich Lithiumionen bewegen, um elektrische Ladung zu leiten.

Die Forscher gehen davon aus, dass durch das Zusammenmischen vieler verschiedener Metallarten neue Wege entstehen – ähnlich wie bei der Hinzufügung von Schnellstraßen auf einer verstopften Autobahn –, über die sich Lithiumionen schnell durch den Elektrolyten bewegen können. Ohne diese Wege wäre die Bewegung von Lithiumionen langsam und begrenzt, wenn sie durch den Elektrolyten von einem Ende der Batterie zum anderen wandern, erklärte Zeng.

Um Kandidaten für das Multimetalldesign zu validieren, führten die Forscher fortgeschrittene theoretische Berechnungen auf der Grundlage einer Methode namens Dichtefunktionaltheorie auf Supercomputern am durch Nationales Wissenschaftliches Rechenzentrum für Energieforschung (NERSCH). Mithilfe von Rastertransmissionselektronenmikroskopen (STEM) am Molekulare Gießereibestätigten die Forscher, dass jeder Elektrolyt nur aus einem Materialtyp besteht – dem, was Wissenschaftler als „einzelne Phase“ bezeichnen – mit ungewöhnlichen Verzerrungen, die zu neuen Ionentransportwegen in seiner Kristallstruktur führen.

Die Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Ionenleitern der nächsten Generation. Der nächste Schritt dieser Forschung besteht darin, den neuen Ansatz anzuwenden, den Zeng gemeinsam mit Ceder im Berkeley Lab entwickelt hat, um neuartige Festelektrolytmaterialien weiter zu erforschen und zu entdecken, die die Batterieleistung noch weiter verbessern können.

Diese Arbeit stellt eine der vielen Möglichkeiten dar, mit denen Experten der Berkeley Lab Energiespeicherzentrum arbeiten daran, den Übergang des Landes zu einer sauberen, erschwinglichen und widerstandsfähigen Energiezukunft zu ermöglichen.

Letztes Jahr gewann Ouyang einen NERSC High Performance Computing Achievement Award für „die Weiterentwicklung des Verständnisses der chemischen Nahordnung für die Entwicklung einer neuen Generation kommerzialisierter Kathodenmaterialien“. Der Preis würdigt Nachwuchswissenschaftler, die mithilfe von NERSC-Ressourcen bedeutende Beiträge zur wissenschaftlichen Berechnung geleistet haben.

Weitere Wissenschaftler, die zu dieser Arbeit beitragen, sind Young-Woon Byeon und Zijian Cai vom Berkeley Lab, Jue Liu vom Oak Ridge National Laboratory sowie Lincoln Miara und Yan Wang vom Samsung Advanced Institute of Technology.

Die Molecular Foundry und NERSC sind Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Diese Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office unterstützt.

Mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Berkeley National Laboratory.

Büro für Wissenschaft des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.

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• Quelle: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/