Berkeley Lab og FSU-teamet designer neste generasjons batterier på atomnivå

Et team fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Florida State University har utviklet en ny plan for solid-state-batterier som er mindre avhengige av spesifikke kjemiske elementer, spesielt kritiske metaller som er utfordrende å hente på grunn av forsyningskjedeproblemer. Arbeidet deres, rapportert nylig i tidsskriftet Vitenskap, kunne fremme solid-state batterier som er effektive og rimelige.

Utmerket for sin høye energitetthet og overlegne sikkerhet, kan solid-state-batterier være en game-changer for elbilindustrien. Men å utvikle en som er rimelig og også ledende nok til å drive en bil hundrevis av kilometer på en enkelt lading har lenge vært en utfordrende hindring å overvinne.

"Med vår nye tilnærming til solid-state-batterier, trenger du ikke gi opp rimelige ytelser." — Yan Zeng, stabsforsker i Berkeley Lab, Materials Sciences Division

"Vårt arbeid er det første som løser dette problemet ved å designe en solid elektrolytt med ikke bare ett metall, men med et team av rimelige metaller," sa medforfatter Yan Zeng, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division.

I et litiumionbatteri fungerer elektrolytten som et overføringsnav der litiumioner beveger seg med elektrisk ladning for enten å drive en enhet eller lade batteriet.

I likhet med andre batterier lagrer solid-state-batterier energi og frigir den deretter til enheter. Men i stedet for flytende eller polymergelelektrolytter som finnes i litiumionbatterier, bruker de en fast elektrolytt.

Myndigheter, forskning og akademia har investert tungt i forskning og utvikling av solid-state batterier fordi de flytende elektrolyttene designet for mange kommersielle batterier er mer utsatt for overoppheting, brann og tap av ladning.

Imidlertid er mange av solid-state-batteriene konstruert så langt basert på spesifikke typer metaller som er dyre og ikke tilgjengelige i store mengder. Noen finnes ikke i det hele tatt i USA.

For den nåværende studien, Zeng - sammen med Bin Ouyang, en assisterende professor i kjemi og biokjemi ved Florida State University - og seniorforfatter Gerbrand Ceder, en seniorforsker fra Berkeley Lab-fakultetet og professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved UC Berkeley, demonstrerte en ny type fast elektrolytt som består av en blanding av forskjellige metallelementer. Zeng og Ouyang utviklet først ideen til dette arbeidet mens de avsluttet sin postdoktorale forskning ved Berkeley Lab og UC Berkeley under veiledning av Ceder.

De nye materialene kan resultere i en mer ledende fast elektrolytt som er mindre avhengig av en stor mengde av et enkelt element.

I eksperimenter ved Berkeley Lab og UC Berkeley demonstrerte forskerne den nye faste elektrolytten ved å syntetisere og teste flere litium-ion- og natrium-ion-materialer med flere blandede metaller.

De observerte at de nye multimetallmaterialene presterte bedre enn forventet, og viste en ionisk ledningsevne flere størrelsesordener raskere enn enkeltmetallmaterialene. Ioneledningsevne er et mål på hvor raskt litiumioner beveger seg for å lede elektrisk ladning.

Forskerne teoretiserer at å blande mange forskjellige typer metaller sammen skaper nye veier - omtrent som tillegg av motorveier på en overbelastet motorvei - som litiumioner kan bevege seg raskt gjennom elektrolytten. Uten disse banene ville bevegelsen av litiumioner være langsom og begrenset når de beveger seg gjennom elektrolytten fra den ene enden av batteriet til den andre, forklarte Zeng.

For å validere kandidater for multimetalldesignet, utførte forskerne avanserte teoretiske beregninger basert på en metode kalt tetthetsfunksjonell teori på superdatamaskiner ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Ved hjelp av skanningstransmisjonselektronmikroskoper (STEM) ved Molekylært støperi, bekreftet forskerne at hver elektrolytt er laget av bare én type materiale - det forskerne kaller en "enkeltfase" - med uvanlige forvrengninger som gir opphav til de nye ionetransportveiene i krystallstrukturen.

Oppdagelsen muliggjør nye muligheter for å designe neste generasjons ioniske ledere. Det neste trinnet i denne forskningen er å bruke den nye tilnærmingen som Zeng har utviklet sammen med Ceder ved Berkeley Lab for å utforske og oppdage nye solide elektrolyttmaterialer som kan forbedre batteriytelsen ytterligere.

Dette arbeidet representerer en av de mange måtene eksperter ved Berkeley Lab Energy Storage Center jobber for å muliggjøre nasjonens overgang til en ren, rimelig og robust energifremtid.

I fjor vant Ouyang en NERSC High Performance Computing Achievement Award for å "fremme forståelsen av kjemisk kortdistanseordre for utforming av en ny generasjon kommersialiserte katodematerialer." Prisen anerkjenner forskere i tidlig karriere som har gitt betydelige bidrag til vitenskapelig beregning ved bruk av NERSC-ressurser.

Andre forskere som bidrar til dette arbeidet er Young-Woon Byeon og Zijian Cai fra Berkeley Lab, Jue Liu fra Oak Ridge National Laboratory, og Lincoln Miara og Yan Wang fra Samsung Advanced Institute of Technology.

Molecular Foundry og NERSC er DOE Office of Science brukerfasiliteter ved Berkeley Lab.

Denne forskningen ble støttet av DOE Vehicle Technologies Office.

Courtesy of Lawrence Berkeley National Laboratory.

DOEs vitenskapskontor er den største enkeltstående tilhengeren av grunnforskning innen fysiske vitenskaper i USA, og jobber med å løse noen av de mest presserende utfordringene i vår tid. For mer informasjon, vennligst besøk energy.gov/science.

Jeg liker ikke betalingsmurer. Du liker ikke betalingsmurer. Hvem liker betalingsmurer? Her på CleanTechnica implementerte vi en begrenset betalingsmur en stund, men det føltes alltid feil – og det var alltid vanskelig å bestemme hva vi skulle legge bak der. I teorien ligger ditt mest eksklusive og beste innhold bak en betalingsmur. Men da er det færre som leser den! Vi liker bare ikke betalingsmurer, og derfor har vi bestemt oss for å droppe vår. Dessverre er mediebransjen fortsatt en tøff, tøff virksomhet med små marginer. Det er en uendelig olympisk utfordring å holde seg over vann eller kanskje - gispe — vokse. Så …

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/