研究人員表示，分析和設(shè)計(jì)新型離子導(dǎo)體(一種可充電電池的關(guān)鍵部件)的新方法可能會(huì)加速高能鋰電池的開發(fā)，以及可能的其他儲(chǔ)能和輸送設(shè)備，如燃料電池。
(相關(guān)資料圖)
新方法依賴于理解振動(dòng)穿過鋰離子導(dǎo)體晶格的方式，并將其與抑制離子遷移的方式聯(lián)系起來。這提供了一種發(fā)現(xiàn)具有增強(qiáng)的離子遷移率的新材料的方法，允許快速充電和放電。同時(shí)，該方法可用于降低材料與電池電極的反應(yīng)性，這可縮短其使用壽命。這兩個(gè)特性 - 更好的離子遷移率和低反應(yīng)性 - 傾向于相互排斥。
這個(gè)新概念是由WM Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近畢業(yè)的John Bachman博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。"17，和研究科學(xué)家Livia Giordano，以及麻省理工學(xué)院，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室以及東京和慕尼黑的九個(gè)機(jī)構(gòu)。
Shao-Horn說，新的設(shè)計(jì)原則已有五年左右的時(shí)間。最初的想法始于她和她的團(tuán)隊(duì)用來理解和控制水分解催化劑的方法，并將其應(yīng)用于離子傳導(dǎo) - 這個(gè)過程不僅是可充電電池的核心，也是其他關(guān)鍵技術(shù)，如燃料細(xì)胞和海水淡化系統(tǒng)。當(dāng)帶負(fù)電荷的電子從電池的一極流向另一極(從而為器件提供電力)時(shí)，正離子以另一種方式流過電解質(zhì)或離子導(dǎo)體，夾在這些極之間，以完成流動(dòng)。
通常，該電解質(zhì)是液體。溶解在有機(jī)液體中的鋰鹽是當(dāng)今鋰離子電池中常見的電解質(zhì)。但這種物質(zhì)是易燃的，有時(shí)會(huì)使這些電池著火。正在尋找一種可以替代它的固體材料，這將消除這個(gè)問題。
Shao-Horn說，存在各種有希望的固體離子導(dǎo)體，但當(dāng)與鋰離子電池中的正極和負(fù)極接觸時(shí)，沒有一種是穩(wěn)定的。因此，尋找具有高離子傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性的新型固體離子導(dǎo)體是至關(guān)重要的。但是，通過許多不同的結(jié)構(gòu)族和組合物進(jìn)行分類以找到最有希望的結(jié)構(gòu)，這是大海撈針問題中的經(jīng)典針。這就是新設(shè)計(jì)原則的用武之地。
我們的想法是找到離子電導(dǎo)率與液體相當(dāng)?shù)牟牧?，但具有固體的長期穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)問道：“基本原則是什么?一般結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計(jì)原則是什么，它控制著所需的特性?” Shao-Horn說。研究人員說，理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)合現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了一些答案。
“我們意識(shí)到有很多材料可以被發(fā)現(xiàn)，但沒有理解或共同原則使我們能夠使發(fā)現(xiàn)過程合理化，”該論文的第一作者M(jìn)uy說。“我們想出了一個(gè)可以包含我們理解并預(yù)測(cè)哪些材料將是最好的材料的想法。”
關(guān)鍵是要看這些固體材料的晶體結(jié)構(gòu)的晶格特性。這決定了諸如被稱為聲子的熱和聲波之類的振動(dòng)如何通過材料。這種觀察結(jié)構(gòu)的新方法最終可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的實(shí)際特性。“一旦你知道[給定材料的振動(dòng)頻率]，你可以用它來預(yù)測(cè)新化學(xué)或解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，”Shao-Horn說。
研究人員觀察到使用該模型確定的晶格特性與鋰離子導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率之間存在良好的相關(guān)性。她說：“我們做了一些實(shí)驗(yàn)來實(shí)驗(yàn)性地支持這個(gè)想法”，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果很好。
他們特別發(fā)現(xiàn)鋰本身的振動(dòng)頻率可以通過調(diào)整其晶格結(jié)構(gòu)，使用化學(xué)取代或摻雜劑巧妙地改變?cè)拥慕Y(jié)構(gòu)排列來微調(diào)。
新概念現(xiàn)在可以提供一種強(qiáng)大的工具，用于開發(fā)新的，性能更好的材料，可以顯著改善可存儲(chǔ)在給定尺寸或重量的電池中的功率，以及提高安全性，研究人員說。他們已經(jīng)使用這種方法找到了一些有希望的候選人。并且該技術(shù)還可以適用于分析用于其他電化學(xué)過程的材料，例如固體氧化物燃料電池，基于膜的脫鹽系統(tǒng)或產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)。
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