Berkeley Lab & FSU Team suunnittelee seuraavan sukupolven akkuja atomitasolla

Työryhmä Lawrence Berkeley National Laboratorysta (Berkeley Lab) ja Florida State University on suunnitellut uuden suunnitelman solid-state-akuille, jotka ovat vähemmän riippuvaisia ​​tietyistä kemiallisista alkuaineista, erityisesti kriittisistä metalleista, joita on vaikea saada hankintaketjuun liittyvien ongelmien vuoksi. Heidän työnsä kerrottiin äskettäin lehdessä tiede, voisi edistää solid-state-akkuja, jotka ovat tehokkaita ja edullisia.

Korkeasta energiatiheydestä ja erinomaisesta turvallisuudestaan ​​mainostetut solid-state-akut voivat olla muutoksentekijä sähköautoteollisuudelle. Mutta sellaisen sellaisen kehittäminen, joka on edullinen ja myös riittävän johtava kuljettamaan autoa satoja kilometrejä yhdellä latauksella, on ollut pitkään haastava este.

"Uuden solid-state-akkujen lähestymistapamme ansiosta sinun ei tarvitse luopua kohtuuhintaisuudesta suorituskyvyn vuoksi." — Yan Zeng, Berkeley Labin henkilöstötutkija, materiaalitieteiden osasto

"Työmme on ensimmäinen, joka ratkaisee tämän ongelman suunnittelemalla kiinteän elektrolyytin, jossa ei ole vain yhtä metallia, vaan myös kohtuuhintaisia ​​metalleja", sanoi toinen ensimmäinen kirjailija Yan Zeng, Berkeley Labin materiaalitieteiden osaston henkilökunnan tutkija.

Litiumioniakussa elektrolyytti toimii siirtonavana, jossa litiumionit liikkuvat sähkövarauksella joko laitteen virtalähteenä tai akun lataamiseksi.

Kuten muutkin akut, puolijohdeakut varastoivat energiaa ja vapauttavat sen sitten virtalaitteisiin. Litiumioniakuissa esiintyvien nestemäisten tai polymeerigeelielektrolyyttien sijaan ne käyttävät kiinteää elektrolyyttiä.

Hallitus, tutkimus ja tiedemaailma ovat investoineet voimakkaasti solid-state-akkujen tutkimukseen ja kehittämiseen, koska moniin kaupallisiin akkuihin suunnitellut nestemäiset elektrolyytit ovat alttiimpia ylikuumenemiselle, tulipalolle ja latauksen menetykselle.

Monet tähän mennessä valmistetuista solid-state-akuista perustuvat kuitenkin tietyntyyppisiin metalleihin, jotka ovat kalliita ja joita ei ole saatavana suuria määriä. Joitakin ei löydy ollenkaan Yhdysvalloista.

Nykyisessä tutkimuksessa Zeng – yhdessä Floridan osavaltion yliopiston kemian ja biokemian apulaisprofessori Bin Ouyangin kanssa – ja vanhempi kirjailija Gerbrand Ceder, Berkeley Labin tiedekunnan vanhempi tutkija ja UC Berkeley materiaalitieteen ja tekniikan professori, esitteli uudentyyppistä kiinteää elektrolyyttiä, joka koostuu eri metallielementtien sekoituksesta. Zeng ja Ouyang kehittivät idean tähän työhön, kun he suorittivat tohtorintutkinnon Berkeley Labissa ja UC Berkeleyssä Cederin valvonnassa.

Uudet materiaalit voisivat johtaa johtavampaan kiinteään elektrolyyttiin, joka on vähemmän riippuvainen yksittäisen elementin suuresta määrästä.

Kokeissa Berkeley Labissa ja UC Berkeleyssä tutkijat osoittivat uuden kiinteän elektrolyytin syntetisoimalla ja testaamalla useita litiumioni- ja natrium-ionimateriaaleja useiden metalliseosten kanssa.

He havaitsivat, että uudet monimetallimateriaalit toimivat odotettua paremmin, ja niiden ioninjohtavuus oli useita suuruusluokkaa nopeampi kuin yksimetallimateriaalit. Ioninjohtavuus mittaa, kuinka nopeasti litiumionit siirtyvät johtamaan sähkövarausta.

Tutkijat uskovat, että monien erityyppisten metallien sekoittaminen yhteen luo uusia reittejä - aivan kuten pikateiden lisääminen ruuhkaiselle moottoritielle - joiden kautta litiumionit voivat liikkua nopeasti elektrolyytin läpi. Ilman näitä reittejä litiumionien liike olisi hidasta ja rajoitettua, kun ne kulkevat elektrolyytin läpi akun päästä toiseen, Zeng selitti.

Monimetallisuunnittelun ehdokkaiden validoimiseksi tutkijat suorittivat edistyneitä teoreettisia laskelmia, jotka perustuivat menetelmään nimeltä tiheysfunktionaalinen teoria supertietokoneissa. Kansallinen energiatutkimuksen tieteellinen laskentakeskus (NERSC). Pyyhkäisevien transmissioelektronimikroskooppien (STEM) käyttäminen osoitteessa Molekyylivalimo, tutkijat vahvistivat, että jokainen elektrolyytti on valmistettu vain yhdestä materiaalityypistä - mitä tiedemiehet kutsuvat "yksifaasiksi" - ja epätavalliset vääristymät aiheuttavat uusia ionien kuljetusreittejä sen kiderakenteessa.

Löytö tarjoaa uusia mahdollisuuksia suunnitella seuraavan sukupolven ionijohtimia. Seuraava askel tässä tutkimuksessa on soveltaa uutta lähestymistapaa, jonka Zeng on kehittänyt Cederin kanssa Berkeley Labissa, jotta voidaan tutkia ja löytää uusia kiinteitä elektrolyyttimateriaaleja, jotka voivat parantaa akun suorituskykyä entisestään.

Tämä työ edustaa yhtä monista tavoista, joilla asiantuntijat Berkeley Lab Energy Storage Center työskentelevät mahdollistaakseen kansakunnan siirtymisen puhtaaseen, edulliseen ja kestävään energian tulevaisuuteen.

Viime vuonna Ouyang voitti a NERSC High Performance Computing Achievement -palkinto "kemikaalien lyhyen kantaman tilausten ymmärtämisen edistämisestä uuden sukupolven kaupallisten katodimateriaalien suunnittelussa". Palkinto myönnetään uransa alkuvaiheessa oleville tutkijoille, jotka ovat osallistuneet merkittävästi tieteelliseen laskemiseen NERSC-resursseja käyttämällä.

Muita tähän työhön osallistuneita tutkijoita ovat Young-Woon Byeon ja Zijian Cai Berkeley Labista, Jue Liu Oak Ridge National Laboratorysta sekä Lincoln Miara ja Yan Wang Samsung Advanced Institute of Technologysta.

Molecular Foundry ja NERSC ovat DOE Office of Sciencen käyttäjätiloja Berkeley Labissa.

Tätä tutkimusta tuki DOE Vehicle Technologies Office.

Kohteliaisuus Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio.

DOE:n tiedetoimisto on suurin yksittäinen fysiikan perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa ja pyrkii vastaamaan joihinkin aikamme kiireellisimmistä haasteista. Lisätietoja on osoitteessa energy.gov/science.

En pidä maksumuureista. Et pidä maksumuureista. Kuka tykkää maksumuureista? Täällä CleanTechnicassa otimme käyttöön rajoitetun maksumuurin jonkin aikaa, mutta se tuntui aina väärältä – ja oli aina vaikea päättää, mitä sinne pitäisi laittaa. Teoriassa eksklusiivisin ja paras sisältösi menee maksumuurin taakse. Mutta sitten harvemmat ihmiset lukevat sitä! Emme vain pidä maksumuureista, joten olemme päättäneet luopua omasta. Valitettavasti media-ala on edelleen kovaa, rajatonta liiketoimintaa, jolla on pienet marginaalit. Se on loputon olympiahaaste pysyä veden yläpuolella tai jopa kenties - huohottaa - kasvaa. Joten…

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/