Berkeley Lab & FSU Team ontwerpt batterijen van de volgende generatie op atoomniveau

Een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en Florida State University heeft een nieuwe blauwdruk ontworpen voor solid-state batterijen die minder afhankelijk zijn van specifieke chemische elementen, met name kritische metalen die lastig te verkrijgen zijn vanwege problemen met de toeleveringsketen. Hun werk, onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap, zou solid-state batterijen kunnen bevorderen die efficiënt en betaalbaar zijn.

Geprezen vanwege hun hoge energiedichtheid en superieure veiligheid, zouden solid-state batterijen een game-changer kunnen zijn voor de elektrische auto-industrie. Maar het ontwikkelen van een exemplaar dat betaalbaar is en voldoende geleidend is om een ​​auto honderden kilometers op één acculading te laten rijden, is lange tijd een lastige hindernis geweest om te overwinnen.

“Met onze nieuwe benadering van solid-state batterijen hoeft u de betaalbaarheid niet op te geven voor prestaties.” – Yan Zeng, stafwetenschapper van Berkeley Lab, divisie Materials Sciences

"Ons werk is het eerste dat dit probleem oplost door een vaste elektrolyt te ontwerpen met niet slechts één metaal, maar met een team van betaalbare metalen", zegt co-eerste auteur Yan Zeng, stafwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab.

In een lithium-ionbatterij werkt de elektrolyt als een overdrachtshub waar lithiumionen met elektrische lading bewegen om een ​​apparaat van stroom te voorzien of de batterij op te laden.

Net als andere batterijen slaan solid-state batterijen energie op en geven deze vervolgens vrij aan apparaten. Maar in plaats van vloeibare of polymeergelelektrolyten die in lithium-ionbatterijen worden aangetroffen, gebruiken ze een vaste elektrolyt.

Overheid, onderzoek en de academische wereld hebben zwaar geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling van vastestofbatterijen, omdat de vloeibare elektrolyten die voor veel commerciële batterijen zijn ontworpen, gevoeliger zijn voor oververhitting, brand en ladingsverlies.

Veel van de tot nu toe vervaardigde solid-state batterijen zijn echter gebaseerd op specifieke soorten metalen die duur zijn en niet in grote hoeveelheden verkrijgbaar zijn. Sommige zijn helemaal niet te vinden in de Verenigde Staten.

Voor de huidige studie hebben Zeng – samen met Bin Ouyang, een assistent-professor in de chemie en biochemie aan de Florida State University – en senior auteur Gerbrand CederDemonstreerde een senior wetenschapper van de Berkeley Lab-faculteit en UC Berkeley-professor materiaalkunde en -techniek een nieuw type vaste elektrolyt bestaande uit een mix van verschillende metaalelementen. Zeng en Ouyang ontwikkelden het idee voor dit werk voor het eerst tijdens het afronden van hun postdoctoraal onderzoek aan Berkeley Lab en UC Berkeley onder supervisie van Ceder.

De nieuwe materialen zouden kunnen resulteren in een beter geleidende vaste elektrolyt die minder afhankelijk is van een grote hoeveelheid van een individueel element.

In experimenten bij Berkeley Lab en UC Berkeley demonstreerden de onderzoekers de nieuwe vaste elektrolyt door verschillende lithium-ion- en natrium-ionmaterialen te synthetiseren en te testen met meerdere gemengde metalen.

Ze merkten op dat de nieuwe multi-metaalmaterialen beter presteerden dan verwacht, en een ionische geleidbaarheid vertoonden die enkele ordes van grootte sneller was dan de enkelvoudige metaalmaterialen. Ionische geleidbaarheid is een maat voor hoe snel lithiumionen bewegen om elektrische lading te geleiden.

De onderzoekers theoretiseren dat het mengen van veel verschillende soorten metalen nieuwe routes creëert – net zoals de toevoeging van snelwegen op een drukke snelweg – waardoor lithiumionen snel door de elektrolyt kunnen bewegen. Zonder deze routes zou de beweging van lithiumionen langzaam en beperkt zijn wanneer ze door de elektrolyt van het ene uiteinde van de batterij naar het andere reizen, legde Zeng uit.

Om kandidaten voor het multi-metaalontwerp te valideren, voerden de onderzoekers geavanceerde theoretische berekeningen uit op basis van een methode genaamd dichtheidsfunctionele theorie op supercomputers aan de Nationaal wetenschappelijk onderzoekscentrum voor energieonderzoek (NERSC). Met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopen (STEM) bij de Moleculaire Gieterijbevestigden de onderzoekers dat elke elektrolyt is gemaakt van slechts één type materiaal – wat wetenschappers een ‘enkele fase’ noemen – met ongebruikelijke vervormingen die aanleiding geven tot de nieuwe ionentransportroutes in de kristalstructuur.

De ontdekking biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van ionische geleiders van de volgende generatie. De volgende stap in dit onderzoek is het toepassen van de nieuwe aanpak die Zeng samen met Ceder van Berkeley Lab heeft ontwikkeld om nieuwe vaste elektrolytmaterialen die de prestaties van de batterij nog verder kunnen verbeteren, verder te verkennen en te ontdekken.

Dit werk vertegenwoordigt een van de vele manieren waarop experts bij de Berkeley Lab Energieopslagcentrum werken eraan om de transitie van het land naar een schone, betaalbare en veerkrachtige energietoekomst mogelijk te maken.

Vorig jaar won Ouyang een NERSC High Performance Computing Achievement Award voor “het bevorderen van het begrip van chemische korteafstandsorders voor het ontwerpen van een nieuwe generatie gecommercialiseerde kathodematerialen.” De prijs beloont beginnende wetenschappers die een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan wetenschappelijke berekeningen met behulp van NERSC-bronnen.

Andere wetenschappers die aan dit werk bijdragen zijn Young-Woon Byeon en Zijian Cai van Berkeley Lab, Jue Liu van Oak Ridge National Laboratory, en Lincoln Miara en Yan Wang van het Samsung Advanced Institute of Technology.

De Molecular Foundry en NERSC zijn DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten in Berkeley Lab.

Dit onderzoek werd ondersteund door het DOE Vehicle Technologies Office.

Met dank aan Lawrence Berkeley National Laboratory.

DOE's Office of Science is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar energy.gov/science.

Ik hou niet van betaalmuren. Je houdt niet van betaalmuren. Wie houdt er van betaalmuren? Hier bij CleanTechnica hebben we een tijdje een beperkte betaalmuur geïmplementeerd, maar het voelde altijd verkeerd - en het was altijd moeilijk om te beslissen wat we daar achter moesten zetten. In theorie gaat je meest exclusieve en beste content achter een betaalmuur. Maar dan lezen minder mensen het! We houden gewoon niet van betaalmuren en daarom hebben we besloten om de onze te laten vallen. Helaas is de mediabusiness nog steeds een harde, moordende business met kleine marges. Het is een nooit eindigende Olympische uitdaging om boven water te blijven of misschien zelfs — snik - groeien. Dus …

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/