ทีม Berkeley Lab และ FSU ออกแบบแบตเตอรี่เจเนอเรชั่นใหม่ในระดับอะตอม

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

ทีมงานจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) และ มหาวิทยาลัยรัฐฟลอริดา ได้ออกแบบพิมพ์เขียวใหม่สำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ต้องอาศัยองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะน้อยกว่า โดยเฉพาะโลหะสำคัญที่ยากต่อการจัดหาเนื่องจากปัญหาด้านห่วงโซ่อุปทาน งานของพวกเขารายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสาร วิทยาศาสตร์, สามารถพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงได้

แบตเตอรี่โซลิดสเตทที่ได้รับการขนานนามว่ามีความหนาแน่นของพลังงานสูงและความปลอดภัยที่เหนือกว่าอาจเป็นตัวเปลี่ยนเกมสำหรับอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า แต่การพัฒนารถยนต์ที่มีราคาไม่แพงและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะขับเคลื่อนรถยนต์เป็นระยะทางหลายร้อยไมล์ด้วยการชาร์จเพียงครั้งเดียวถือเป็นอุปสรรคที่ท้าทายมายาวนานในการเอาชนะ

“ด้วยแนวทางใหม่ของเราในด้านแบตเตอรี่โซลิดสเตต คุณไม่จำเป็นต้องละทิ้งความสามารถในการจ่ายเพื่อประสิทธิภาพการทำงาน” — Yan Zeng นักวิทยาศาสตร์ของ Berkeley Lab แผนกวัสดุศาสตร์

<img aria-describedby="caption-attachment-288350" data-attachment-id="288350" data-permalink="https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/portait-yan-zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704/" data-orig-file="https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704-1.jpg" data-orig-size="628,704" data-comments-opened="1" data-image-meta="{"aperture":"0","credit":"","camera":"","caption":"","created_timestamp":"0","copyright":"","focal_length":"0","iso":"0","shutter_speed":"0","title":"","orientation":"0"}" data-image-title="Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704" data-image-description data-image-caption="

Yan Zeng นักวิทยาศาสตร์ของ Berkeley Lab (เครดิต: เอื้อเฟื้อโดย Yan Zeng)

” data-medium-file=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level-1 jpg” data-large-file=”https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624-628×704-1.jpg” decoding=”async” Loading=”lazy” class=”ขนาดกลาง wp-image-288350″ src=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next- gen-batteries-at-atomic-level-1.jpg” alt width=”357″ height=”400″ srcset=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab- fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level-1.jpg 357w, https://cleantechnica.com/files/2023/02/Portait-Yan-Zeng-1200×1200-1-e1677016002624 -628×704-1.jpg 628w” ขนาด=”(ความกว้างสูงสุด: 357px) 100vw, 357px”>

Yan Zeng นักวิทยาศาสตร์ของ Berkeley Lab (เครดิต: เอื้อเฟื้อโดย Yan Zeng)

“งานของเราเป็นงานแรกในการแก้ปัญหานี้โดยการออกแบบอิเล็กโทรไลต์แข็งที่ไม่ใช่แค่โลหะชนิดเดียว แต่ด้วยทีมงานที่มีโลหะราคาไม่แพง” Yan Zeng ผู้เขียนร่วมคนแรก ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ประจำแผนกวัสดุศาสตร์ของ Berkeley Lab กล่าว

ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์ทำงานเหมือนฮับถ่ายโอน โดยที่ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่พร้อมกับประจุไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์หรือชาร์จแบตเตอรี่ใหม่

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่อื่นๆ แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะเก็บพลังงานแล้วปล่อยไปยังอุปกรณ์จ่ายไฟ แต่แทนที่จะใช้อิเล็กโทรไลต์เจลที่เป็นของเหลวหรือโพลีเมอร์ที่พบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้จะใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

รัฐบาล การวิจัย และนักวิชาการได้ลงทุนอย่างมากในการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตต เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่ออกแบบมาสำหรับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์จำนวนมากมีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป ไฟไหม้ และการสูญเสียประจุมากกว่า

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซลิดสเตตจำนวนมากที่สร้างขึ้นจนถึงขณะนี้ใช้โลหะบางประเภทซึ่งมีราคาแพงและไม่มีจำหน่ายในปริมาณมาก บางส่วนไม่พบเลยในสหรัฐอเมริกา

สำหรับการศึกษาในปัจจุบัน Zeng พร้อมด้วย Bin Ouyang ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมีและชีวเคมีที่ Florida State University และผู้เขียนอาวุโส เกอร์แบรนด์ ซีเดอร์นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของคณะ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ของ UC Berkeley ได้สาธิตอิเล็กโทรไลต์แข็งชนิดใหม่ซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมขององค์ประกอบโลหะต่างๆ Zeng และ Ouyang ได้พัฒนาแนวคิดสำหรับงานนี้เป็นครั้งแรกในขณะที่เสร็จสิ้นการวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Berkeley Lab และ UC Berkeley ภายใต้การดูแลของ Ceder

วัสดุชนิดใหม่นี้อาจส่งผลให้อิเล็กโทรไลต์แข็งเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบแต่ละชนิดในปริมาณมากน้อยลง

<img aria-describedby="caption-attachment-288348" data-attachment-id="288348" data-permalink="https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/2023_lithium-solid-state_gif_4/" data-orig-file="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level.gif" data-orig-size="1240,500" data-comments-opened="1" data-image-meta="{"aperture":"0","credit":"","camera":"","caption":"","created_timestamp":"0","copyright":"","focal_length":"0","iso":"0","shutter_speed":"0","title":"","orientation":"0"}" data-image-title="2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4" data-image-description data-image-caption="

ภาพด้านซ้าย: อิเล็กโทรไลต์แข็งแบบ "สั่ง" ทั่วไปที่ทำจากโลหะชนิดเดียว (ทรงกลมสีน้ำเงิน) การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออน (ทรงกลมสีเหลือง) ช้าและจำกัด จึงเป็นอุปสรรคต่อการนำไอออนและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ (ทรงกลมสีเทาเป็นตัวแทนของออกซิเจน) แสดงไว้ทางขวา: ไอออนเคลื่อนที่เร็วขึ้นอย่างมากผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งที่ “ไม่เป็นระเบียบ”: การผสมโลหะประเภทต่างๆ (ทรงกลมสีน้ำเงิน นกเป็ดน้ำ และสีน้ำเงินเข้ม) ทำให้เกิดเส้นทางใหม่ – เหมือนกับการเพิ่มทางด่วนบนทางหลวงที่คับคั่ง – ซึ่งลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างรวดเร็ว (เครดิต: Jenny Nuss/Berkeley Lab)

” data-medium-file=”https://cleantechnica.com/files/2023/02/2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4-400×161.gif” data-large-file=”https://cleantechnica.com/files /2023/02/2023_LITHIUM-SOLID-STATE_GIF_4-800×323.gif” decoding=”async” Loading=”lazy” class=”wp-image-288348 size-full” src=”https://platoaistream.net/ wp-content/uploads/2023/02/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level.gif” alt width=”1240″ height=”500″>

ภาพด้านซ้าย: อิเล็กโทรไลต์แข็งแบบ "สั่ง" ทั่วไปที่ทำจากโลหะชนิดเดียว (ทรงกลมสีน้ำเงิน) การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออน (ทรงกลมสีเหลือง) ช้าและจำกัด จึงเป็นอุปสรรคต่อการนำไอออนและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ (ทรงกลมสีเทาเป็นตัวแทนของออกซิเจน) แสดงไว้ทางขวา: ไอออนเคลื่อนที่เร็วขึ้นอย่างมากผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งที่ “ไม่เป็นระเบียบ”: การผสมโลหะประเภทต่างๆ (ทรงกลมสีน้ำเงิน นกเป็ดน้ำ และสีน้ำเงินเข้ม) ทำให้เกิดเส้นทางใหม่ — เหมือนกับการเพิ่มทางด่วนบนทางหลวงที่คับคั่ง — ซึ่งลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างรวดเร็ว (เครดิต: Jenny Nuss/Berkeley Lab)

ในการทดลองที่ Berkeley Lab และ UC Berkeley นักวิจัยได้สาธิตอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งชนิดใหม่โดยการสังเคราะห์และทดสอบวัสดุลิเธียมไอออนและโซเดียมไอออนหลายชนิดด้วยโลหะผสมหลายชนิด

พวกเขาสังเกตเห็นว่าวัสดุโลหะหลายชนิดใหม่ทำงานได้ดีกว่าที่คาดไว้ โดยแสดงค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกได้เร็วกว่าวัสดุโลหะเดี่ยวหลายขนาด การนำไอออนิกคือการวัดความเร็วของลิเธียมไอออนที่เคลื่อนที่เพื่อนำประจุไฟฟ้า

นักวิจัยตั้งทฤษฎีว่าการผสมโลหะหลายประเภทเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดเส้นทางใหม่ เหมือนกับการเพิ่มทางด่วนบนทางหลวงที่คับคั่ง ซึ่งลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วผ่านอิเล็กโทรไลต์ หากไม่มีเส้นทางเหล่านี้ การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนจะช้าและจำกัดเมื่อพวกมันเดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์จากปลายด้านหนึ่งของแบตเตอรี่ไปยังอีกด้านหนึ่ง Zeng อธิบาย

เพื่อตรวจสอบตัวเลือกสำหรับการออกแบบโลหะหลายชนิด นักวิจัยได้ทำการคำนวณทางทฤษฎีขั้นสูงโดยใช้วิธีการที่เรียกว่าทฤษฎีความหนาแน่นฟังก์ชันบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ ศูนย์คอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์วิจัยพลังงานแห่งชาติ (สศช). โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่องผ่าน (STEM) ที่ โรงหล่อโมเลกุลนักวิจัยยืนยันว่าอิเล็กโทรไลต์แต่ละตัวทำจากวัสดุชนิดเดียวเท่านั้น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "เฟสเดียว" โดยมีการบิดเบือนที่ผิดปกติทำให้เกิดเส้นทางการขนส่งไอออนใหม่ในโครงสร้างผลึกของมัน

การค้นพบนี้เปิดโอกาสใหม่ในการออกแบบตัวนำไอออนิกรุ่นต่อไป ขั้นตอนต่อไปในการวิจัยนี้คือการใช้แนวทางใหม่ที่ Zeng ได้พัฒนาร่วมกับ Ceder ที่ Berkeley Lab เพื่อสำรวจและค้นพบวัสดุอิเล็กโทรไลต์แข็งชนิดใหม่ที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

งานนี้แสดงถึงหนึ่งในหลาย ๆ วิธีที่ผู้เชี่ยวชาญของ ศูนย์กักเก็บพลังงานของห้องทดลองเบิร์กลีย์ กำลังทำงานเพื่อให้ประเทศเปลี่ยนผ่านไปสู่อนาคตพลังงานที่สะอาด ราคาไม่แพง และฟื้นตัวได้

ปีที่แล้ว โอวหยางชนะค่าเฉลี่ยบอลเฉลี่ย รางวัลความสำเร็จด้านคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงของ NERSC สำหรับ "การพัฒนาความเข้าใจในการสั่งซื้อสารเคมีระยะสั้นเพื่อการออกแบบวัสดุแคโทดเชิงพาณิชย์รุ่นใหม่" รางวัลนี้เชิดชูนักวิทยาศาสตร์วัยทำงานที่มีส่วนสำคัญต่อการคำนวณทางวิทยาศาสตร์โดยใช้ทรัพยากรของ NERSC

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่มีส่วนร่วมในงานนี้ ได้แก่ Young-Woon Byeon และ Zijian Cai จาก Berkeley Lab, Jue Liu จาก Oak Ridge National Laboratory และ Lincoln Miara และ Yan Wang จาก Samsung Advanced Institute of Technology

Molecular Foundry และ NERSC เป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ที่ Berkeley Lab

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานเทคโนโลยียานพาหนะของ DOE

ได้รับความอนุเคราะห์จาก ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley.

สำนักงานวิทยาศาสตร์ สพท เป็นผู้สนับสนุนการวิจัยขั้นพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพรายใหญ่ที่สุดเพียงรายเดียวในสหรัฐอเมริกา และกำลังทำงานเพื่อจัดการกับความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดไปที่ Energy.gov/science

ฉันไม่ชอบเพย์วอลล์ คุณไม่ชอบเพย์วอลล์ ใครชอบเพย์วอลล์บ้าง? ที่ CleanTechnica เราใช้เพย์วอลล์ที่จำกัดมาระยะหนึ่งแล้ว แต่มันก็รู้สึกผิดเสมอ — และมันก็ยากเสมอที่จะตัดสินใจว่าเราควรทิ้งอะไรไว้ข้างหลัง ตามทฤษฎีแล้ว เนื้อหาที่พิเศษที่สุดและดีที่สุดของคุณจะอยู่ภายใต้เพย์วอลล์ แต่คนอ่านน้อยลง! เราไม่ชอบเพย์วอลล์ และเราจึงตัดสินใจทิ้งเพย์วอลล์ของเรา น่าเสียดายที่ธุรกิจสื่อยังคงเป็นธุรกิจที่ยากลำบากและมีกำไรเพียงเล็กน้อย ความท้าทายในโอลิมปิกที่ไม่มีวันจบสิ้นคือการอยู่เหนือน้ำหรือแม้กระทั่งบางที— อ้าปากค้าง - เติบโต. ดังนั้น …