На пути к лучшему Solid

Команда из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) и Университета штата Флорида разработала новую концепцию твердотельных батарей, которые в меньшей степени зависят от конкретных химических элементов, особенно от критически важных металлов, которые сложно добыть из-за проблем с цепочкой поставок.О своей работе сообщилинедавно в журнале Science, могли бы продвигать твердотельные батареи, которые эффективны и доступны по цене.

Твердотельные аккумуляторы, рекламируемые за свою высокую плотность энергии и превосходную безопасность, могут изменить правила игры в индустрии электромобилей. Но разработать такой вариант, который был бы доступным по цене и при этом обладал бы достаточной проводимостью, чтобы обеспечить питанием автомобиль на сотни миль на одном заряде, уже давно является сложной задачей, которую необходимо преодолеть.

«Благодаря нашему новому подходу к твердотельным батареям вам не придется отказываться от доступности в пользу производительности. Наша работа — первая, которая решила эту проблему, разработав твердый электролит не только с одним металлом, но и с группой доступных металлов», — сказал соавтор Ян Цзэн, научный сотрудник отдела материаловедения Лаборатории Беркли.

В литий-ионной батарее электролит работает как передаточный узел, где ионы лития движутся с электрическим зарядом, питая устройство или перезаряжая батарею.

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

Правительство, научные и академические круги вложили значительные средства в исследования и разработки твердотельных батарей, поскольку жидкие электролиты, разработанные для многих коммерческих батарей, более склонны к перегреву, возгоранию и потере заряда.

Однако многие из созданных на данный момент твердотельных батарей основаны на определенных типах металлов, которые дороги и недоступны в больших количествах. Некоторые из них вообще не встречаются в Соединенных Штатах.

В рамках текущего исследования Цзэн вместе с Бин Оуяном, доцентом химии и биохимии Университета штата Флорида, и старшим автором Гербрандом Седером, старшим научным сотрудником факультета лаборатории Беркли и профессором материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали новый тип твердый электролит, состоящий 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 созданию более проводящего твердого электролита, который менее зависит от большого количества отдельного элемента.

В экспериментах в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете 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 показали себя лучше, чем ожидалось, демонстрируя ионную проводимость на несколько порядков быстрее, чем монометаллические материалы. Ионная проводимость — это показатель того, насколько быстро ионы лития движутся, проводя электрический заряд.

Исследователи предполагают, что смешивание множества различных типов металлов вместе создает новые пути — во многом похожие на добавление скоростных автомагистралей на перегруженном шоссе — 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 мультиметаллическую конструкцию, исследователи выполнили расширенные теоретические расчеты на основе метода, называемого теорией функционала плотности, на суперкомпьютерах в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC). Используя сканирующие трансмиссионные электронные микроскопы (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 появлению новых путей транспорта ионов в его Кристальная структура.