バークレー研究所と FSU チームが原子レベルで次世代電池を設計

ローレンス・バークレー国立研究所 (Berkeley Lab) のチームと フロリダ州立大学 は、特定の化学元素、特にサプライチェーンの問題により調達が困難な重要な金属への依存度が低い全固体電池の新しい青写真を設計しました。 最近ジャーナルで報告された彼らの研究 科学, 効率的で手頃な価格の全固体電池を進歩させることができます。

高エネルギー密度と優れた安全性で知られる全固体電池は、電気自動車業界のゲームチェンジャーになる可能性があります。 しかし、手頃な価格で、XNUMX 回の充電で数百マイルも自動車に電力を供給できる導電性を備えたものを開発することは、長い間、克服すべき困難なハードルでした。

「全固体電池への新しいアプローチにより、パフォーマンスのために手頃な価格をあきらめる必要はありません。」 — Yan Zeng、バークレー研究所スタッフ科学者、材料科学部門

「私たちの研究は、XNUMX つの金属だけでなく、手頃な価格の金属のチームを使って固体電解質を設計することで、この問題を解決した最初の研究です」と、バークレー研究所の材料科学部門のスタッフ サイエンティストである共同筆頭著者の Yan Zeng 氏は述べています。

リチウムイオン電池では、電解質は転送ハブのように機能し、リチウムイオンが電荷とともに移動して、デバイスに電力を供給したり、電池を充電したりします。

他の電池と同様に、全固体電池はエネルギーを蓄え、それを放出してデバイスに電力を供給します。 しかし、リチウムイオン電池に見られる液体またはポリマーゲル電解質ではなく、固体電解質を使用しています。

多くの商用バッテリー用に設計された液体電解質は、過熱、発火、および充電の損失を起こしやすいため、政府、研究、および学界は全固体バッテリーの研究開発に多額の投資を行ってきました。

しかし、これまでに製造された全固体電池の多くは、高価で大量に入手できない特定の種類の金属に基づいています。 米国ではまったく見られないものもあります。

現在の研究では、フロリダ州立大学の化学と生化学の助教授である Bin Ouyang とともに、Zeng と上級著者が参加しました。 ゲルブラン・シーダーバークレー研究所のシニアサイエンティストであり、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学と工学の教授である は、さまざまな金属元素の混合物からなる新しいタイプの固体電解質を実証しました。 Zeng と Ouyang は、Ceder の監督の下、バークレー研究所と UC バークレーでポスドク研究を終えているときに、この作業のアイデアを最初に開発しました。

新しい材料は、大量の個々の元素にあまり依存しない、より伝導性の高い固体電解質をもたらす可能性があります。

バークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校での実験で、研究者は、複数の混合金属を含むいくつかのリチウムイオンおよびナトリウムイオン材料を合成してテストすることにより、新しい固体電解質を実証しました。

彼らは、新しいマルチメタル材料が予想よりも優れた性能を発揮し、単一金属材料よりも数桁速いイオン伝導率を示していることを観察しました。 イオン伝導率は、リチウムイオンが電荷を伝導するために移動する速さの測定値です。

研究者は、多くの異なる種類の金属を一緒に混合すると、リチウムイオンが電解液を介して迅速に移動できる新しい経路が作成されると理論付けています。 これらの経路がなければ、リチウム イオンが電解液を介して電池の一方の端からもう一方の端に移動するときに、リチウム イオンの移動が遅くなり、制限されると Zeng 氏は説明しました。

マルチメタル設計の候補を検証するために、研究者は、密度汎関数理論と呼ばれる方法に基づいて高度な理論計算をスーパーコンピューターで実行しました。 国立エネルギー研究科学計算センター (ネルスク）。 走査型透過電子顕微鏡 (STEM) を使用して 分子ファウンドリ研究者らは、各電解質が XNUMX 種類の材料 (科学者が「単相」と呼ぶもの) のみで構成されていることを確認しました。異常な歪みにより、その結晶構造に新しいイオン輸送経路が生じます。

この発見により、次世代のイオン伝導体を設計する新たな機会が得られます。 この研究の次のステップは、Zeng が Berkeley Lab の Ceder と共に開発した新しいアプローチを適用して、バッテリー性能をさらに向上させることができる新しい固体電解質材料をさらに調査および発見することです。

この作品は、 バークレー ラボ エネルギー貯蔵センター は、クリーンで手頃な価格の回復力のあるエネルギーの未来への国の移行を可能にするために取り組んでいます。

昨年、欧陽は優勝しました NERSC ハイ パフォーマンス コンピューティング アチーブメント アワード 「新世代の商業化されたカソード材料を設計するための化学的短距離秩序の理解を進める」ため。 この賞は、NERSC リソースを使用して科学計算に多大な貢献をした初期の科学者を表彰します。

この研究に貢献している他の科学者は、バークレー研究所のビョン・ヨンウとカイ・ジジアン、オークリッジ国立研究所のリュー・ジュエ、サムスン先端技術研究所のリンカーン・ミアラとヤン・ワンです。

Molecular Foundry と NERSC は、バークレー研究所の DOE 科学局ユーザー施設です。

この研究は、DOE Vehicle Technologies Office の支援を受けました。

礼儀 ローレンス・バークレー国立研究所.

DOE の科学局 は、米国の物理科学における基礎研究の最大の支持者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、energy.gov/science をご覧ください。

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