Berkeley Lab & FSU Team designar nästa generations batterier på atomnivå

Ett team från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Florida State University har utformat en ny plan för solid state-batterier som är mindre beroende av specifika kemiska element, särskilt kritiska metaller som är utmanande att köpa på grund av problem med leveranskedjan. Deras arbete, rapporterade nyligen i tidskriften Vetenskap, skulle kunna utveckla solid state-batterier som är effektiva och prisvärda.

Berömda för sin höga energitäthet och överlägsna säkerhet, kan solid-state-batterier vara en spelväxlare för elbilsindustrin. Men att utveckla en som är prisvärd och dessutom tillräckligt konduktiv för att driva en bil hundratals mil på en enda laddning har länge varit ett utmanande hinder att övervinna.

"Med vårt nya tillvägagångssätt för solid-state-batterier behöver du inte ge upp överkomliga prestanda." — Yan Zeng, anställd forskare vid Berkeley Lab, Materials Sciences Division

"Vårt arbete är det första som löser detta problem genom att designa en solid elektrolyt med inte bara en metall utan med ett team av prisvärda metaller", säger medförfattaren Yan Zeng, en stabsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning.

I ett litiumjonbatteri fungerar elektrolyten som ett överföringsnav där litiumjoner rör sig med elektrisk laddning för att antingen driva en enhet eller ladda batteriet.

Liksom andra batterier lagrar solid-state-batterier energi och släpper sedan ut den för att driva enheter. Men snarare än flytande eller polymergelelektrolyter som finns i litiumjonbatterier använder de en fast elektrolyt.

Regeringen, forskningen och den akademiska världen har investerat kraftigt i forskning och utveckling av solid-state-batterier eftersom de flytande elektrolyterna som är designade för många kommersiella batterier är mer benägna att överhettas, brand och laddningsförlust.

Men många av de solid-state-batterier som har konstruerats hittills är baserade på specifika typer av metaller som är dyra och inte tillgängliga i stora mängder. Vissa finns inte alls i USA.

För den aktuella studien, Zeng - tillsammans med Bin Ouyang, en biträdande professor i kemi och biokemi vid Florida State University - och senior författare Gerbrand Ceder, en senior forskare från Berkeley Lab-fakulteten och professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley, visade en ny typ av fast elektrolyt som består av en blandning av olika metallelement. Zeng och Ouyang utvecklade först idén till detta arbete medan de avslutade sin postdoktorala forskning vid Berkeley Lab och UC Berkeley under ledning av Ceder.

De nya materialen kan resultera i en mer ledande fast elektrolyt som är mindre beroende av en stor mängd av ett enskilt element.

I experiment vid Berkeley Lab och UC Berkeley demonstrerade forskarna den nya fasta elektrolyten genom att syntetisera och testa flera litiumjon- och natriumjonmaterial med flera blandade metaller.

De observerade att de nya multimetallmaterialen presterade bättre än förväntat och visade en jonledningsförmåga flera storleksordningar snabbare än enkelmetallmaterialen. Jonkonduktivitet är ett mått på hur snabbt litiumjoner rör sig för att leda elektrisk laddning.

Forskarna har en teori om att blandning av många olika typer av metaller skapar nya vägar - ungefär som tillägget av motorvägar på en överbelastad motorväg - genom vilka litiumjoner kan röra sig snabbt genom elektrolyten. Utan dessa vägar skulle rörelsen av litiumjoner vara långsam och begränsad när de färdas genom elektrolyten från ena änden av batteriet till den andra, förklarade Zeng.

För att validera kandidater för multimetalldesignen utförde forskarna avancerade teoretiska beräkningar baserade på en metod som kallas densitetsfunktionella teorin på superdatorer vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Använda scanning transmission elektronmikroskop (STEM) vid Molekylärt gjuteri, bekräftade forskarna att varje elektrolyt är gjord av endast en typ av material - vad forskare kallar en "enfas" - med ovanliga förvrängningar som ger upphov till de nya jontransportvägarna i dess kristallstruktur.

Upptäckten möjliggör nya möjligheter att designa nästa generations jonledare. Nästa steg i denna forskning är att tillämpa det nya tillvägagångssätt som Zeng har utvecklat tillsammans med Ceder vid Berkeley Lab för att ytterligare utforska och upptäcka nya solida elektrolytmaterial som kan förbättra batteriets prestanda ytterligare.

Detta arbete representerar ett av de många sätt som experter på Berkeley Lab Energy Storage Center arbetar för att möjliggöra nationens övergång till en ren, prisvärd och motståndskraftig energiframtid.

Förra året vann Ouyang en NERSC High Performance Computing Achievement Award för att "främja förståelsen av kemisk kortdistansorder för att designa en ny generation av kommersialiserade katodmaterial." Priset uppmärksammar forskare i tidiga karriärer som har gjort betydande bidrag till vetenskaplig beräkning med hjälp av NERSC-resurser.

Andra forskare som bidrar till detta arbete är Young-Woon Byeon och Zijian Cai från Berkeley Lab, Jue Liu från Oak Ridge National Laboratory och Lincoln Miara och Yan Wang från Samsung Advanced Institute of Technology.

Molecular Foundry och NERSC är DOE Office of Science användaranläggningar vid Berkeley Lab.

Denna forskning stöddes av DOE Vehicle Technologies Office.

Med tillstånd av Lawrence Berkeley National Laboratory.

DOE:s vetenskapskontor är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA, och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar. För mer information, besök energy.gov/science.

Jag gillar inte betalväggar. Du gillar inte betalväggar. Vem gillar betalväggar? Här på CleanTechnica implementerade vi en begränsad betalvägg ett tag, men det kändes alltid fel – och det var alltid svårt att bestämma vad vi skulle lägga bakom där. I teorin ligger ditt mest exklusiva och bästa innehåll bakom en betalvägg. Men då läser färre det! Vi gillar bara inte betalväggar, så vi har bestämt oss för att avstå från vår. Tyvärr är mediebranschen fortfarande en tuff, mördande verksamhet med små marginaler. Det är en oändlig olympisk utmaning att hålla sig ovanför vattnet eller kanske till och med — kippa - växa. Så…

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/