Zespół Berkeley Lab & FSU projektuje baterie nowej generacji na poziomie atomowym

Zespół z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Florida State University opracował nowy plan akumulatorów półprzewodnikowych, które są w mniejszym stopniu zależne od określonych pierwiastków chemicznych, w szczególności metali krytycznych, których pozyskiwanie jest trudne ze względu na problemy w łańcuchu dostaw. O ich pracy doniesiono niedawno w czasopiśmie nauka, mogłoby opracować akumulatory półprzewodnikowe, które byłyby wydajne i niedrogie.

Akumulatory półprzewodnikowe, reklamowane ze względu na wysoką gęstość energii i najwyższe bezpieczeństwo, mogą zmienić zasady gry w branży samochodów elektrycznych. Jednak opracowanie takiego, który jest niedrogi i wystarczająco przewodzący, aby zasilać samochód przez setki mil na jednym ładowaniu, od dawna stanowił trudną do pokonania przeszkodę.

„Dzięki naszemu nowemu podejściu do akumulatorów półprzewodnikowych nie musisz rezygnować z przystępności cenowej na rzecz wydajności”. — Yan Zeng, naukowiec z Berkeley Lab, Wydział Nauk o Materiałach

„Nasza praca jako pierwsza rozwiązuje ten problem poprzez zaprojektowanie stałego elektrolitu składającego się nie tylko z jednego metalu, ale z zespołu niedrogich metali” – powiedział współautor Yan Zeng, pracownik naukowy w Dziale Nauk o Materiałach w Berkeley Lab.

W akumulatorze litowo-jonowym elektrolit działa jak węzeł przesyłowy, w którym jony litu poruszają się pod wpływem ładunku elektrycznego, aby zasilić urządzenie lub naładować akumulator.

Podobnie jak inne baterie, baterie półprzewodnikowe magazynują energię, a następnie uwalniają ją do zasilania urządzeń. Zamiast jednak elektrolitów w płynie lub żelu polimerowym, które można znaleźć w akumulatorach litowo-jonowych, stosuje się w nich elektrolit stały.

Rząd, badania i środowisko akademickie poczyniły znaczne inwestycje w badania i rozwój akumulatorów półprzewodnikowych, ponieważ ciekłe elektrolity przeznaczone do wielu akumulatorów dostępnych na rynku są bardziej podatne na przegrzanie, pożar i utratę ładunku.

Jednak wiele z dotychczas skonstruowanych akumulatorów półprzewodnikowych opiera się na określonych rodzajach metali, które są drogie i niedostępne w dużych ilościach. Niektórych w ogóle nie można znaleźć w Stanach Zjednoczonych.

Na potrzeby obecnego badania Zeng – wraz z Binem Ouyangiem, adiunktem chemii i biochemii na Florida State University – oraz starszym autorem Gerbranda Cedera, starszy naukowiec z wydziału Berkeley Lab i profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, zademonstrował nowy typ stałego elektrolitu składający się z mieszanki różnych pierwiastków metalowych. Zeng i Ouyang po raz pierwszy opracowali pomysł tej pracy podczas kończenia badań podoktorskich w Berkeley Lab i UC Berkeley pod kierunkiem Cedera.

Nowe materiały mogą skutkować bardziej przewodzącym elektrolitem stałym, który będzie w mniejszym stopniu zależny od dużej ilości pojedynczego pierwiastka.

W eksperymentach w Berkeley Lab i UC Berkeley naukowcy zademonstrowali nowy stały elektrolit poprzez syntezę i testowanie kilku materiałów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wieloma mieszanymi metalami.

Zaobserwowali, że nowe materiały wielometaliczne działały lepiej niż oczekiwano, wykazując przewodność jonową o kilka rzędów wielkości większą niż materiały jednometaliczne. Przewodność jonowa jest miarą szybkości przemieszczania się jonów litu, aby przewodzić ładunek elektryczny.

Naukowcy wysuwają teorię, że zmieszanie wielu różnych rodzajów metali tworzy nowe ścieżki – przypominające dodanie dróg ekspresowych na zatłoczonej autostradzie – którymi jony litu mogą szybko przemieszczać się przez elektrolit. Bez tych ścieżek ruch jonów litu byłby powolny i ograniczony podczas przemieszczania się przez elektrolit z jednego końca akumulatora na drugi, wyjaśnił Zeng.

Aby zweryfikować kandydatów do konstrukcji wielometalowej, badacze przeprowadzili zaawansowane obliczenia teoretyczne w oparciu o metodę zwaną teorią funkcjonału gęstości na superkomputerach na Uniwersytecie Narodowe Centrum Obliczeniowe Badań Energetycznych (NERSC). Korzystanie ze skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (STEM) w Odlewnia molekularnanaukowcy potwierdzili, że każdy elektrolit składa się tylko z jednego rodzaju materiału – tego, co naukowcy nazywają „jednofazowym” – z niezwykłymi zniekształceniami powodującymi powstanie nowych szlaków transportu jonów w jego strukturze krystalicznej.

Odkrycie otwiera nowe możliwości projektowania przewodników jonowych nowej generacji. Następnym krokiem w tych badaniach jest zastosowanie nowego podejścia, które Zeng opracował wraz z Cederem w Berkeley Lab, w celu dalszych badań i odkrywania nowych materiałów na bazie stałego elektrolitu, które mogą jeszcze bardziej poprawić wydajność akumulatorów.

Ta praca stanowi jeden z wielu sposobów, w jaki eksperci z Centrum magazynowania energii w Berkeley Lab pracują nad umożliwieniem narodu przejścia do czystej, niedrogiej i odpornej przyszłości energetycznej.

W zeszłym roku Ouyang wygrało Nagroda NERSC za osiągnięcia w dziedzinie obliczeń o wysokiej wydajności za „pogłębianie wiedzy na temat chemicznego porządku bliskiego zasięgu w celu zaprojektowania nowej generacji skomercjalizowanych materiałów katodowych”. Nagroda przyznawana jest naukowcom rozpoczynającym karierę, którzy wnieśli znaczący wkład w obliczenia naukowe z wykorzystaniem zasobów NERSC.

Inni naukowcy biorący udział w tej pracy to Young-Woon Byeon i Zijian Cai z Berkeley Lab, Jue Liu z Oak Ridge National Laboratory oraz Lincoln Miara i Yan Wang z Samsung Advanced Institute of Technology.

Odlewnia Molekularna i NERSC to obiekty użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab.

Badania te były wspierane przez Biuro Technologii Pojazdów DOE.

Dzięki uprzejmości Lawrence Berkeley National Laboratory.

Biuro Naukowe DOE jest największym zwolennikiem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie Energy.gov/science.

Nie lubię paywallów. Nie lubisz paywallów. Kto lubi paywalle? W CleanTechnica przez jakiś czas wdrożyliśmy ograniczoną zaporę płatną, ale zawsze wydawało się to niewłaściwe — i zawsze trudno było zdecydować, co powinniśmy tam umieścić. Teoretycznie najbardziej ekskluzywne i najlepsze treści znajdują się za zaporą płatną. Ale wtedy mniej osób to czyta! Po prostu nie lubimy paywallów, więc zdecydowaliśmy się porzucić nasze. Niestety, branża medialna to nadal twardy, bezwzględny biznes z niewielkimi marżami. Utrzymanie się nad wodą, a może nawet — to niekończące się wyzwanie olimpijskie sapać - rosnąć. Więc …

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/