Berkeley Lab & FSU Team oblikuje baterije naslednje generacije na atomski ravni

Ekipa iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) in Florida State University je zasnoval nov načrt za polprevodniške baterije, ki so manj odvisne od specifičnih kemičnih elementov, zlasti kritičnih kovin, ki jih je težko pridobiti zaradi težav z dobavno verigo. Njihovo delo, o katerem so nedavno poročali v reviji Znanost, bi lahko napredoval polprevodniške baterije, ki so učinkovite in cenovno dostopne.

Polprevodniške baterije, ki so oglaševane zaradi svoje visoke energijske gostote in vrhunske varnosti, bi lahko spremenile igro v industriji električnih avtomobilov. Toda razvoj takšnega, ki je cenovno dostopen in tudi dovolj prevoden, da bo z enim polnjenjem napajal avtomobil na stotine milj, je že dolgo težko premagati oviro.

"Z našim novim pristopom k polprevodniškim baterijam se vam zaradi zmogljivosti ni treba odpovedati cenovni dostopnosti." — Yan Zeng, sodelavec laboratorija Berkeley, oddelek za znanosti o materialih

"Naše delo je prvo, ki je rešilo to težavo z oblikovanjem trdnega elektrolita ne samo z eno kovino, ampak z ekipo cenovno dostopnih kovin," je dejal soavtor Yan Zeng, znanstveni sodelavec v oddelku za vede o materialih Berkeley Lab.

V litij-ionski bateriji elektrolit deluje kot prenosno vozlišče, kjer se litijevi ioni premikajo z električnim nabojem, da napajajo napravo ali napolnijo baterijo.

Tako kot druge baterije tudi polprevodniške baterije shranjujejo energijo in jo nato sproščajo v napajanje naprav. Toda namesto tekočih ali polimernih gel elektrolitov, ki jih najdemo v litij-ionskih baterijah, uporabljajo trden elektrolit.

Vlada, raziskave in akademski krogi so veliko vlagali v raziskave in razvoj polprevodniških baterij, ker so tekoči elektroliti, zasnovani za številne komercialne baterije, bolj nagnjeni k pregrevanju, požaru in izgubi napolnjenosti.

Vendar veliko do sedaj izdelanih polprevodniških baterij temelji na posebnih vrstah kovin, ki so drage in niso na voljo v velikih količinah. Nekaterih v Združenih državah Amerike sploh ni.

Za trenutno študijo je Zeng - skupaj z Bin Ouyangom, docentom za kemijo in biokemijo na Florida State University - in višjim avtorjem Gerbrand Ceder, višji znanstvenik na fakulteti Berkeley Lab in profesor znanosti o materialih in inženiringa UC Berkeley, je demonstriral novo vrsto trdnega elektrolita, sestavljenega iz mešanice različnih kovinskih elementov. Zeng in Ouyang sta najprej razvila idejo za to delo, ko sta pod vodstvom Cederja končala svoje podoktorske raziskave v Berkeley Lab in UC Berkeley.

Novi materiali bi lahko povzročili bolj prevoden trden elektrolit, ki je manj odvisen od velike količine posameznega elementa.

V poskusih v Berkeley Lab in UC Berkeley so raziskovalci demonstrirali nov trden elektrolit s sintetiziranjem in testiranjem več litij-ionskih in natrijevih ionskih materialov z več mešanicami kovin.

Opazili so, da so novi večkovinski materiali delovali bolje od pričakovanega, saj so pokazali ionsko prevodnost za več velikosti hitreje kot enokovinski materiali. Ionska prevodnost je merilo, kako hitro se litijevi ioni premikajo, da prevajajo električni naboj.

Raziskovalci teoretizirajo, da mešanje različnih vrst kovin ustvarja nove poti - podobno kot dodajanje hitrih cest na preobremenjeni avtocesti -, skozi katere se lahko litijevi ioni hitro premikajo skozi elektrolit. Brez teh poti bi bilo gibanje litijevih ionov počasno in omejeno, ko bi potovali skozi elektrolit od enega konca baterije do drugega, je pojasnil Zeng.

Da bi potrdili kandidate za večkovinsko zasnovo, so raziskovalci na superračunalnikih na Nacionalno raziskovalno središče za energetske raziskave (NERSC). Z uporabo vrstičnih transmisijskih elektronskih mikroskopov (STEM) pri Molekularna livarna, so raziskovalci potrdili, da je vsak elektrolit izdelan samo iz ene vrste materiala - kar znanstveniki imenujejo "enofazna" - z nenavadnimi popačenji, ki povzročajo nove transportne poti ionov v njegovi kristalni strukturi.

Odkritje omogoča nove priložnosti za oblikovanje ionskih prevodnikov naslednje generacije. Naslednji korak v tej raziskavi je uporaba novega pristopa, ki ga je Zeng razvil s Cederjem v Berkeley Labu za nadaljnje raziskovanje in odkrivanje novih trdnih elektrolitov, ki lahko še izboljšajo učinkovitost baterije.

To delo predstavlja enega od mnogih načinov, na katere strokovnjaki na Berkeley Lab Energy Storage Center si prizadevajo omogočiti prehod države na čisto, cenovno dostopno in odporno energetsko prihodnost.

Lani je Ouyang zmagal a Nagrada NERSC za visoko zmogljivo računalništvo za "napredek razumevanja kemičnega reda kratkega dosega za načrtovanje nove generacije komercializiranih katodnih materialov." Nagrada je priznanje znanstvenikom na začetku kariere, ki so pomembno prispevali k znanstvenemu računanju z uporabo virov NERSC.

Drugi znanstveniki, ki prispevajo k temu delu, so Young-Woon Byeon in Zijian Cai iz Berkeley Lab, Jue Liu iz Oak Ridge National Laboratory ter Lincoln Miara in Yan Wang iz Samsung Advanced Institute of Technology.

Molecular Foundry in NERSC sta uporabniški objekti urada za znanost DOE v laboratoriju Berkeley.

To raziskavo je podprl Urad za tehnologijo vozil DOE.

Vljudnost Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley.

Urad za znanost DOE je največji podpornik temeljnih raziskav v fizikalnih znanostih v Združenih državah in si prizadeva za reševanje nekaterih najbolj perečih izzivov našega časa. Za več informacij obiščite energy.gov/science.

Ne maram plačljivih zidov. Ne marate plačilnih zidov. Kdo ima rad plačljive zidove? Tukaj pri CleanTechnici smo nekaj časa uvedli omejen plačilni zid, vendar se je vedno zdelo narobe – in vedno se je bilo težko odločiti, kaj bi tam morali postaviti. Teoretično gre vaša najbolj ekskluzivna in najboljša vsebina za plačilni zid. A potem ga bere manj ljudi! Preprosto ne maramo plačljivih zidov, zato smo se odločili, da svojega opustimo. Na žalost je medijski posel še vedno trd, odrezav posel z majhnimi maržami. Neskončen olimpijski izziv je ostati nad vodo ali morda celo... izsiljevanje — rasti. torej …

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/