Команда из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Университета штата Флорида разработала новый план твердотельных батарей, которые в меньшей степени зависят от конкретных химических элементов, особенно от критических металлов, которые сложно достать из-за проблем с цепочкой поставок. Их работа, о которой недавно сообщалось в журнале Science , может улучшить твердотельные батареи, которые будут эффективными и доступными.

Рекламируемые своей высокой плотностью энергии и превосходной безопасностью, твердотельные батареи могут изменить правила игры в электромобилестроении. Но разработка того, который был бы доступным, а также достаточно проводящим, чтобы привести автомобиль в движение на сотни миль без подзарядки, уже давно является сложной задачей, которую необходимо преодолеть.

«С нашим новым подходом к твердотельным батареям вам не нужно отказываться от доступности в пользу производительности. Наша работа — первая, которая решила эту проблему, разработав твердый электролит не только из одного металла, но и из группы доступных металлов, — сказал соавтор Ян Цзэн, штатный научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли.

В литий-ионном аккумуляторе электролит работает как передаточный узел, где ионы лития перемещаются с электрическим зарядом, чтобы либо питать устройство, либо заряжать аккумулятор.

Как и другие батареи, твердотельные батареи накапливают энергию, а затем отдают ее для питания устройств. Но вместо жидких или полимерных гелевых электролитов, используемых в литий-ионных батареях , в них используется твердый электролит.

Правительство, исследовательские и академические круги вложили значительные средства в исследования и разработку твердотельных батарей, потому что жидкие электролиты, разработанные для многих коммерческих батарей, более подвержены перегреву, возгоранию и потере заряда.

Однако многие твердотельные батареи, созданные до сих пор, основаны на определенных типах металлов, которые дороги и недоступны в больших количествах. Некоторые вообще не встречаются в Соединенных Штатах.

В текущем исследовании Цзэн вместе с Бином Оуяном, доцентом кафедры химии и биохимии в Университете штата Флорида, и старшим автором Гербрандом Седером, старшим научным сотрудником лаборатории Беркли и профессором материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали новый тип твердого электролита, состоящего из смеси различных металлических элементов. Цзэн и Оуян впервые разработали идею этой работы, когда заканчивали свои постдокторские исследования в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли под руководством Седера.

Новые материалы могут привести к более проводящему твердому электролиту, который меньше зависит от большого количества отдельного элемента.

В экспериментах в лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли исследователи продемонстрировали новый твердый электролит, синтезировав и протестировав несколько литий-ионных и натрий-ионных материалов с несколькими смешанными металлами.

Они заметили, что новые мультиметаллические материалы работают лучше, чем ожидалось, демонстрируя ионную проводимость на несколько порядков быстрее, чем материалы из одного металла. Ионная проводимость — это измерение того, насколько быстро ионы лития движутся, чтобы проводить электрический заряд.

Исследователи предполагают, что смешивание многих различных типов металлов вместе создает новые пути — подобно добавлению скоростных автомагистралей на перегруженных автомагистралях — по которым ионы лития могут быстро перемещаться через электролит. Без этих путей движение ионов лития было бы медленным и ограниченным, когда они проходят через электролит от одного конца батареи к другому, объяснил Цзэн.

Чтобы проверить кандидатов на многометаллическую конструкцию, исследователи выполнили расширенные теоретические расчеты на основе метода, называемого теорией функционала плотности, на суперкомпьютерах в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC).

С помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM) в Molecular Foundry исследователи подтвердили, что каждый электролит состоит только из одного типа материала — того, что ученые называют «однофазным», — с необычными искажениями, приводящими к возникновению новых путей переноса ионов в его электролите. Кристальная структура.

Открытие открывает новые возможности для разработки ионных проводников следующего поколения. Следующим шагом в этом исследовании является применение нового подхода, который Зенг разработал вместе с Седером в лаборатории Беркли, для дальнейшего изучения и открытия новых материалов с твердым электролитом , которые могут еще больше улучшить характеристики батареи.