Команда Berkeley Lab и FSU разрабатывает батареи нового поколения на атомном уровне

Команда из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Университет штата Флорида разработала новую концепцию твердотельных батарей, которые в меньшей степени зависят от конкретных химических элементов, особенно от критически важных металлов, которые сложно добыть из-за проблем с цепочкой поставок. Об их работе сообщалось недавно в журнале Наука, могли бы разработать твердотельные батареи, которые эффективны и доступны по цене.

Твердотельные аккумуляторы, рекламируемые за свою высокую плотность энергии и превосходную безопасность, могут изменить правила игры в индустрии электромобилей. Но разработать такой вариант, который был бы доступным по цене и при этом обладал бы достаточной проводимостью, чтобы обеспечить питанием автомобиль на сотни миль на одном заряде, уже давно является сложной задачей, которую необходимо преодолеть.

«Благодаря нашему новому подходу к твердотельным батареям вам не придется отказываться от доступности в пользу производительности». — Ян Цзэн, научный сотрудник лаборатории Беркли, отдел материаловедения

«Наша работа — первая, которая решила эту проблему, разработав твердый электролит не только с одним металлом, но и с группой доступных металлов», — сказал соавтор Ян Цзэн, научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли.

В литий-ионной батарее электролит работает как передаточный узел, где ионы лития движутся с электрическим зарядом, питая устройство или перезаряжая батарею.

Как и другие аккумуляторы, твердотельные аккумуляторы накапливают энергию, а затем передают ее для питания устройств. Но вместо жидких или полимерных гелевых электролитов, используемых в литий-ионных батареях, в них используется твердый электролит.

Правительство, научные и академические круги вложили значительные средства в исследования и разработки твердотельных батарей, поскольку жидкие электролиты, разработанные для многих коммерческих батарей, более склонны к перегреву, возгоранию и потере заряда.

Однако многие из созданных на данный момент твердотельных батарей основаны на определенных типах металлов, которые дороги и недоступны в больших количествах. Некоторые из них вообще не встречаются в Соединенных Штатах.

В текущем исследовании Цзэн вместе с Бин Оуяном, доцентом химии и биохимии Университета штата Флорида, и старшим автором Гербранд Седер, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировал новый тип твердого электролита, состоящий из смеси различных металлических элементов. Цзэн и Оуян впервые разработали идею этой работы, когда заканчивали свои постдокторские исследования в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли под руководством Седера.

Новые материалы могут привести к созданию более проводящего твердого электролита, который менее зависит от большого количества отдельного элемента.

В экспериментах в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли исследователи продемонстрировали новый твердый электролит, синтезировав и протестировав несколько литий-ионных и натрий-ионных материалов с несколькими смешанными металлами.

Они заметили, что новые мультиметаллические материалы показали себя лучше, чем ожидалось, демонстрируя ионную проводимость на несколько порядков быстрее, чем монометаллические материалы. Ионная проводимость — это показатель того, насколько быстро ионы лития движутся, проводя электрический заряд.

Исследователи предполагают, что смешивание множества различных типов металлов вместе создает новые пути — во многом похожие на добавление скоростных автомагистралей на перегруженном шоссе — по которым ионы лития могут быстро перемещаться через электролит. Без этих путей движение ионов лития было бы медленным и ограниченным, когда они проходят через электролит от одного конца батареи к другому, объяснил Цзэн.

Чтобы проверить кандидатов на мультиметаллическую конструкцию, исследователи выполнили расширенные теоретические расчеты, основанные на методе, называемом теорией функционала плотности, на суперкомпьютерах Национальный энергетический научно-исследовательский вычислительный центр (НЕРСК). Использование сканирующих трансмиссионных электронных микроскопов (СТЭМ) в Молекулярный литейный заводИсследователи подтвердили, что каждый электролит состоит только из одного типа материала — того, что ученые называют «однофазным» — с необычными искажениями, приводящими к появлению новых путей транспорта ионов в его кристаллической структуре.

Это открытие открывает новые возможности для разработки ионных проводников следующего поколения. Следующим шагом в этом исследовании является применение нового подхода, который Цзэн разработал вместе с Седером в лаборатории Беркли, для дальнейшего изучения и открытия новых материалов с твердым электролитом, которые могут еще больше улучшить производительность аккумулятора.

Эта работа представляет собой один из многих способов, с помощью которых эксперты Центр хранения энергии лаборатории Беркли работают над тем, чтобы обеспечить переход страны к чистому, доступному и устойчивому энергетическому будущему.

В прошлом году Оуян выиграл Премия NERSC за достижения в области высокопроизводительных вычислений за «продвижение понимания химического ближнего порядка для разработки нового поколения коммерциализированных катодных материалов». Награда присуждается молодым ученым, внесшим значительный вклад в научные вычисления с использованием ресурсов NERSC.

Другими учеными, внесшими вклад в эту работу, являются Ён-Вун Бён и Цзыцзян Цай из лаборатории Беркли, Цзюэ Лю из Национальной лаборатории Ок-Ридж, а также Линкольн Миара и Ян Ван из Передового технологического института Samsung.

Molecular Foundry и NERSC являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США в лаборатории Беркли.

Это исследование было поддержано Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США.

Предоставлено Национальной лаборатории Лоренса Беркли.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт Energy.gov/science.

Я не люблю платный доступ. Вам не нравится платный доступ. Кто любит платный доступ? Здесь, в CleanTechnica, мы на какое-то время внедрили ограниченный платный доступ, но он всегда казался неправильным — и всегда было сложно решить, что мы должны оставить там. Теоретически ваш самый эксклюзивный и лучший контент находится за платным доступом. Но тогда его читает меньше людей! Нам просто не нравится платный доступ, поэтому мы решили отказаться от своего. К сожалению, медийный бизнес по-прежнему остается жестким, беспощадным бизнесом с крошечной маржой. Это нескончаемый олимпийский вызов — оставаться над водой или даже, возможно… задыхаться - расти. Так …

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/