伯克利实验室和 FSU 团队在原子级设计下一代电池

来自劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的团队和 佛罗里达州立大学 为固态电池设计了新的蓝图，该电池较少依赖于特定的化学元素，特别是由于供应链问题而难以采购的关键金属。他们的工作最近在期刊上报道 科学, 可以推进高效且价格实惠的固态电池。

固态电池因其高能量密度和卓越的安全性而备受推崇，可能会改变电动汽车行业的游戏规则。但开发一种价格实惠、导电性足以让汽车一次充电行驶数百英里的电池长期以来一直是一个需要克服的挑战性障碍。

“通过我们的固态电池新方法，您不必为了性能而放弃负担能力。” — Yan Zeng，伯克利实验室材料科学部科学家

共同第一作者、伯克利实验室材料科学部的科学家 Yan Zeng 表示：“我们的工作是第一个通过设计一种固体电解质来解决这个问题的工作，这种固体电解质不仅包含一种金属，还包含一组价格实惠的金属。”

在锂离子电池中，电解质的工作原理就像一个传输中心，锂离子带着电荷移动，为设备供电或为电池充电。

与其他电池一样，固态电池储存能量，然后将其释放给设备供电。但它们使用的是固体电解质，而不是锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质。

政府、研究机构和学术界对固态电池的研发投入了大量资金，因为为许多商用电池设计的液体电解质更容易出现过热、起火和电量损失的情况。

然而，迄今为止构建的许多固态电池都是基于特定类型的金属，这些金属价格昂贵且无法大量供应。有些在美国根本找不到。

对于当前的研究，Zeng 与佛罗里达州立大学化学和生物化学助理教授 Bin Ouyang 一起，也是资深作者 格布兰德·赛德伯克利实验室高级科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授展示了一种由多种金属元素混合而成的新型固体电解质。 Zeng 和 Ouyang 在 Ceder 的指导下在伯克利实验室和加州大学伯克利分校完成博士后研究时首次提出了这项工作的想法。

新材料可以产生导电性更强的固体电解质，减少对大量单个元素的依赖。

在伯克利实验室和加州大学伯克利分校的实验中，研究人员通过合成和测试几种具有多种混合金属的锂离子和钠离子材料，展示了新型固体电解质。

他们观察到，新型多金属材料的性能比预期更好，其离子电导率比单金属材料快几个数量级。离子电导率是衡量锂离子移动传导电荷速度的指标。

研究人员推测，将许多不同类型的金属混合在一起会创造新的途径——就像在拥挤的高速公路上增加高速公路一样——锂离子可以通过这些途径在电解质中快速移动。曾解释说，如果没有这些途径，锂离子在通过电解质从电池的一端移动到另一端时，其移动将会缓慢且受到限制。

为了验证多金属设计的候选方案，研究人员基于一种称为密度泛函理论的方法在超级计算机上进行了高级理论计算。 国家能源研究科学计算中心 (国家能源研究中心）。使用扫描透射电子显微镜 (STEM) 分子铸造厂研究人员证实，每种电解质仅由一种材料制成——科学家称之为“单相”——具有不寻常的扭曲，从而在其晶体结构中产生新的离子传输路径。

这一发现为设计下一代离子导体提供了新的机会。这项研究的下一步是应用 Zeng 与伯克利实验室 Ceder 开发的新方法，进一步探索和发现可以进一步提高电池性能的新型固体电解质材料。

这项工作代表了专家们采用的多种方式之一 伯克利实验室储能中心 正在努力使国家过渡到清洁、负担得起和有弹性的能源未来。

去年，欧阳获得了 NERSC 高性能计算成就奖 获奖理由：“增进对化学短程有序的理解，以设计新一代商业化正极材料。”该奖项旨在表彰那些利用 NERSC 资源对科学计算做出重大贡献的早期职业科学家。

其他为这项工作做出贡献的科学家包括伯克利实验室的 Young-Woon Byeon 和 Zijian Cai、橡树岭国家实验室的 Jue Liu 以及三星先进技术研究所的 Lincoln Miara 和 Yan Wang。

分子铸造厂和 NERSC 是美国能源部伯克利实验室科学用户办公室办公室。

这项研究得到了美国能源部车辆技术办公室的支持。

礼貌 劳伦斯伯克利国家实验室.

美国能源部科学办公室 是美国物理科学研究的最大支持者，致力于解决当今时代一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问 energy.gov/science。

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• Sumber: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/