Команда Berkeley Lab & FSU розробляє батареї нового покоління на атомному рівні

Команда з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) і Університет штату Флорида розробив новий проект для твердотільних батарей, які менше залежать від певних хімічних елементів, особливо критичних металів, які важко отримати через проблеми з ланцюгом поставок. Про їхню роботу нещодавно повідомили в журн наука, може вдосконалити твердотільні батареї, які є ефективними та доступними.

Твердотільні батареї, рекламовані завдяки своїй високій щільності енергії та винятковій безпеці, можуть кардинально змінити ситуацію в галузі електромобілів. Але розробка доступної за ціною, а також достатньо провідної, щоб забезпечити автомобіль на сотні миль на одному заряді, вже давно є складною перешкодою, яку потрібно подолати.

«Завдяки нашому новому підходу до твердотільних акумуляторів вам не потрібно відмовлятися від доступності заради продуктивності». — Ян Цзен, науковий співробітник лабораторії Берклі, Відділ наук про матеріали

«Наша робота є першою, яка вирішила цю проблему, створивши твердий електроліт не лише з одного металу, а з командою доступних металів», — сказав один із авторів Янь Цзен, науковий співробітник відділу наук про матеріали Берклі.

У літій-іонному акумуляторі електроліт працює як центр передачі, де іони літію рухаються з електричним зарядом або живлять пристрій, або заряджають акумулятор.

Як і інші батареї, твердотільні батареї накопичують енергію, а потім виділяють її для живлення пристроїв. Але замість рідких або полімерно-гелевих електролітів, які містяться в літій-іонних батареях, вони використовують твердий електроліт.

Уряд, наукові та наукові кола інвестували значні кошти в дослідження та розробку твердотільних акумуляторів, оскільки рідкі електроліти, розроблені для багатьох комерційних акумуляторів, більш схильні до перегріву, пожежі та втрати заряду.

Однак багато твердотільних батарей, виготовлених досі, засновані на певних типах металів, які є дорогими та недоступними у великих кількостях. Деякі взагалі не зустрічаються в Сполучених Штатах.

У поточному дослідженні Цзен разом з Бін Оуянгом, доцентом хімії та біохімії в Університеті штату Флорида, і старшим автором Гербранд Седер, старший науковий співробітник лабораторії Берклі та професор матеріалознавства та інженерії Каліфорнійського університету в Берклі, продемонстрував новий тип твердого електроліту, що складається із суміші різних металевих елементів. Цзен і Оуянг вперше розробили ідею цієї роботи, коли закінчували свої докторські дослідження в лабораторії Берклі та Каліфорнійському університеті в Берклі під керівництвом Седера.

Нові матеріали можуть призвести до більш провідного твердого електроліту, який менше залежить від великої кількості окремого елемента.

Під час експериментів у лабораторії Берклі та Каліфорнійському університеті в Берклі дослідники продемонстрували новий твердий електроліт шляхом синтезу та випробування кількох літій-іонних та натрій-іонних матеріалів із кількома змішаними металами.

Вони помітили, що нові багатометалічні матеріали працюють краще, ніж очікувалося, демонструючи іонну провідність на кілька порядків швидше, ніж однометалічні матеріали. Іонна провідність - це вимірювання того, наскільки швидко рухаються іони літію, щоб провести електричний заряд.

Дослідники припускають, що змішування багатьох різних типів металів разом створює нові шляхи — подібно до додавання швидкісних доріг на перевантаженому шосе — через які іони літію можуть швидко рухатися через електроліт. Без цих шляхів рух іонів літію був би повільним і обмеженим, коли б вони подорожували через електроліт від одного кінця батареї до іншого, пояснив Зенг.

Щоб перевірити кандидатів на багатометалеву конструкцію, дослідники виконали передові теоретичні розрахунки на основі методу, який називається теорією функціоналу густини, на суперкомп’ютерах у Національний енергетичний науково-обчислювальний центр (NERSC). Використання скануючих просвічуючих електронних мікроскопів (STEM) на Молекулярна ливарня, дослідники підтвердили, що кожен електроліт складається лише з одного типу матеріалу — того, що вчені називають «однофазним» — із незвичайними спотвореннями, які створюють нові шляхи транспортування іонів у його кристалічній структурі.

Відкриття відкриває нові можливості для розробки іонних провідників нового покоління. Наступним кроком у цьому дослідженні є застосування нового підходу, розробленого Зенгом разом із Седером у лабораторії Берклі, для подальшого дослідження та відкриття нових твердих електролітних матеріалів, які можуть ще більше покращити продуктивність батареї.

Ця робота представляє один із багатьох способів, якими експерти в Центр зберігання енергії лабораторії Берклі працюють над тим, щоб уможливити перехід нації до чистого, доступного та стійкого енергетичного майбутнього.

Минулого року Оуян виграв a Нагорода NERSC High Performance Computing Achievement Award за «розвиток розуміння хімічного ближнього порядку для розробки нового покоління комерційних катодних матеріалів». Нагорода відзначає вчених-початківців, які зробили значний внесок у наукові обчислення за допомогою ресурсів NERSC.

Інші вчені, які брали участь у цій роботі, — Янг-Вун Бьон і Зіцзянь Цай з лабораторії Берклі, Джу Лю з національної лабораторії Оук-Рідж, а також Лінкольн Міара та Ян Ван з передового технологічного інституту Samsung.

Molecular Foundry і NERSC є користувальницькими службами Управління науки DOE в лабораторії Берклі.

Це дослідження було підтримано Управлінням автомобільних технологій DOE.

Надано Лоуренс Берклі Національна лабораторія.

Управління науки DOE є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень у галузі фізичних наук у Сполучених Штатах і працює над вирішенням деяких із найнагальніших викликів нашого часу. Для отримання додаткової інформації відвідайте Energy.gov/science.

Мені не подобаються платні екрани. Вам не подобаються платні екрани. Кому подобаються платні екрани? Тут, у CleanTechnica, ми деякий час впроваджували обмежену платну систему, але це завжди здавалося неправильним — і завжди було важко вирішити, що ми маємо туди включити. Теоретично ваш найексклюзивніший і найкращий вміст залишається за платним доступом. Але тоді її читає менше людей! Нам просто не подобаються платні екрани, тому ми вирішили відмовитися від них. На жаль, медіа-бізнес все ще залишається жорстким, жорстоким бізнесом із крихітною прибутковістю. Це нескінченний олімпійський виклик — утриматися над водою або, можливо, навіть... задихатися — рости. Так …

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/