מעבדת ברקלי וצוות FSU מעצבים סוללות מהדור הבא ברמה אטומית

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

צוות מהמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) ו אוניברסיטת פלורידה עיצבה מתווה חדש עבור סוללות במצב מוצק שתלויות פחות באלמנטים כימיים ספציפיים, במיוחד מתכות קריטיות שקשה למצוא אותן בגלל בעיות בשרשרת האספקה. עבודתם, דווחה לאחרונה בכתב העת מדע, יכול לקדם סוללות מוצק שהן יעילות ובמחיר סביר.

סוללות מצב מוצק, אשר ידועות בצפיפות האנרגיה הגבוהה והבטיחות המעולה שלהן, עשויות להיות מחליף משחק עבור תעשיית הרכב החשמלי. אבל פיתוח כזה שהוא במחיר סביר וגם מוליך מספיק כדי להניע מכונית לאורך מאות קילומטרים בטעינה בודדת כבר מזמן היה מכשול מאתגר להתגבר עליו.

"עם הגישה החדשה שלנו לסוללות מוצק, אינך צריך לוותר על עלות סבירות לביצועים." - יאן זנג, מדען צוות מעבדת ברקלי, חטיבת מדעי החומרים

<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="

יאן זנג, מדען צוות מעבדת ברקלי (קרדיט: באדיבות יאן זנג)

” 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” פענוח=”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 357w, https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624 -628×704-1.jpg 628w" sizes="(מקסימום רוחב: 357px) 100vw, 357px">

יאן זנג, מדען צוות מעבדת ברקלי (קרדיט: באדיבות יאן זנג)

"העבודה שלנו היא הראשונה לפתור בעיה זו על ידי תכנון אלקטרוליט מוצק עם לא רק מתכת אחת אלא עם צוות של מתכות במחירים סבירים", אמר המחבר הראשון יאן זנג, מדען צוות בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי.

בסוללת ליתיום-יון, האלקטרוליט פועל כמו רכזת העברה שבה יוני ליתיום נעים עם מטען חשמלי כדי להפעיל מכשיר או להטעין את הסוללה.

כמו סוללות אחרות, סוללות מצב מוצק אוגרות אנרגיה ואז משחררות אותה להפעלת מכשירים. אבל במקום אלקטרוליטים של ג'ל נוזלי או פולימרי המצויים בסוללות ליתיום-יון, הם משתמשים באלקטרוליט מוצק.

הממשלה, המחקר והאקדמיה השקיעו רבות במחקר ובפיתוח של סוללות במצב מוצק מכיוון שהאלקטרוליטים הנוזליים המיועדים לסוללות מסחריות רבות נוטים יותר להתחממות יתר, שריפה ואובדן מטען.

עם זאת, רבות מהסוללות במצב מוצק שנבנו עד כה מבוססות על סוגים ספציפיים של מתכות שהן יקרות ואינן זמינות בכמויות גדולות. חלקם לא נמצאים כלל בארצות הברית.

למחקר הנוכחי, זנג - יחד עם בן אויאנג, עוזר פרופסור לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת פלורידה סטייט - ומחבר בכיר גרברנד סידר, מדען בכיר בפקולטה במעבדת ברקלי ופרופסור למדעי החומרים והנדסת חומרים באוניברסיטת ברקלי, הדגים סוג חדש של אלקטרוליט מוצק המורכב מתערובת של אלמנטים מתכתיים שונים. זנג ואויאנג פיתחו לראשונה את הרעיון לעבודה זו בזמן שסיימו את מחקר הפוסט-דוקטורט שלהם במעבדת ברקלי וב-UC ברקלי בפיקוחו של סידר.

החומרים החדשים עלולים לגרום לאלקטרוליט מוצק מוליך יותר שתלוי פחות בכמות גדולה של אלמנט בודד.

<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="{"aperture":"0","credit":"","camera":"","caption":"","created_timestamp":"0","copyright":"","focal_length":"0","iso":"0","shutter_speed":"0","title":"","orientation":"0"}" data-image-title="2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4" data-image-description data-image-caption="

מוצג משמאל: אלקטרוליט מוצק "מוסדר" קונבנציונלי העשוי מסוג מתכת אחד בלבד (כדורים כחולים). תנועת יוני הליתיום (כדור צהוב) איטית ומוגבלת, ובכך פוגעת במוליכות היונים ובביצועי הסוללה. (כדורים אפורים מייצגים חמצן.) מוצג מימין: יונים נעים מהר יותר באופן משמעותי דרך אלקטרוליט מוצק "לא מסודר": ערבוב סוגים שונים של מתכות (כדורים כחולים, צהבהבים וכדורי ים) יוצר מסלולים חדשים - בדומה להוספת כבישים מהירים בכביש מהיר עמוס - שדרכו יוני ליתיום יכולים לנוע במהירות דרך האלקטרוליט. (קרדיט: ג'ני נוס/מעבדת ברקלי)

” 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” loading=”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″>

בניסויים במעבדת ברקלי ובאוניברסיטת ברקלי, החוקרים הדגימו את האלקטרוליט המוצק החדש על ידי סינתזה ובדיקה של מספר חומרים ליתיום-יון ונתרן-יון עם מספר מתכות מעורבות.

הם הבחינו שהחומרים הרב-מתכתיים החדשים פעלו טוב מהצפוי, כשהם מציגים מוליכות יונית מהירה בכמה סדרי גודל מהחומרים הבודדים. מוליכות יונית היא מדידה של כמה מהר יוני ליתיום נעים כדי להוליך מטען חשמלי.

החוקרים משערים כי ערבוב סוגים רבים ושונים של מתכות יחד יוצר נתיבים חדשים - בדומה להוספת כבישים מהירים בכביש מהיר עמוס - דרכם יוני ליתיום יכולים לנוע במהירות דרך האלקטרוליט. ללא מסלולים אלה, תנועת יוני הליתיום תהיה איטית ומוגבלת כאשר הם עוברים דרך האלקטרוליט מקצה אחד של הסוללה לקצה השני, הסביר זנג.

כדי לאמת מועמדים לתכנון הרב-מתכתי, החוקרים ביצעו חישובים תיאורטיים מתקדמים המבוססים על שיטה הנקראת תיאוריית צפיפות-פונקציונליות על מחשבי-על ב- המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר אנרגיה (NERSC). שימוש במיקרוסקופי אלקטרונים שידור סורק (STEM) ב- יציקה מולקולרית, אישרו החוקרים כי כל אלקטרוליט עשוי מסוג אחד בלבד של חומר - מה שמדענים מכנים "שלב אחד" - עם עיוותים יוצאי דופן המביאים למסלולי הובלת יונים החדשים במבנה הגבישי שלו.

התגלית מאפשרת הזדמנויות חדשות לתכנן מוליכים יוניים מהדור הבא. השלב הבא במחקר זה הוא ליישם את הגישה החדשה ש-Zeng פיתחה עם Ceder במעבדת ברקלי כדי להמשיך ולחקור ולגלות חומרים אלקטרוליטים מוצקים חדשים שיכולים לשפר עוד יותר את ביצועי הסוללה.

עבודה זו מייצגת אחת מהדרכים הרבות שבהן מומחים ב- מרכז אחסון אנרגיה במעבדת ברקלי פועלים כדי לאפשר את המעבר של המדינה לעתיד אנרגיה נקי, סביר ועמיד.

בשנה שעברה, אויאנג זכה ב-a פרס הישגי מחשוב גבוהים של NERSC על "קידום ההבנה של סדר כימי לטווח קצר לתכנון דור חדש של חומרי קתודה ממוסחרים." הפרס מכיר במדענים בתחילת הקריירה שתרמו תרומה משמעותית לחישוב מדעי באמצעות משאבי NERSC.

מדענים נוספים שתורמים לעבודה זו הם Young-Woon Byeon ו-Zijian Cai ממעבדת ברקלי, Jue Liu מהמעבדה הלאומית Oak Ridge ולינקולן מיארה ויאן וואנג מהמכון הטכנולוגי המתקדם של סמסונג.

The Molecular Foundry ו-NERSC הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science במעבדת ברקלי.

מחקר זה נתמך על ידי משרד טכנולוגיות הרכב של DOE.

באדיבות המעבדה הלאומית לורנס ברקלי.

משרד המדע של DOE הוא התומך היחיד הגדול ביותר במחקר בסיסי במדעי הפיזיקה בארצות הברית, ופועל להתמודד עם כמה מהאתגרים הדחופים ביותר של זמננו. למידע נוסף, בקר בכתובת energy.gov/science.

אני לא אוהב חומות תשלום. אתה לא אוהב חומות תשלום. מי אוהב חומות תשלום? כאן ב-CleanTechnica, הטמענו חומת תשלום מוגבלת לזמן מה, אבל זה תמיד הרגיש לא נכון - ותמיד היה קשה להחליט מה עלינו לשים מאחורינו. בתיאוריה, התוכן הבלעדי והטוב ביותר שלך נמצא מאחורי חומת תשלום. אבל אז פחות אנשים קוראים את זה! אנחנו פשוט לא אוהבים חומות תשלום, ולכן החלטנו לוותר על שלנו. למרבה הצער, עסקי התקשורת הם עדיין עסק קשוח וחתוך עם שוליים זעירים. זה אתגר אולימפי בלתי נגמר להישאר מעל המים או אפילו אולי - להתנשף - לגדול. כך …