Designprincipper kunne pege på bedre elektrolytter til næste generation af lithiumbatterier

En ny tilgang til at analysere og designe nye ionledere - en nøglekomponent i genopladelige batterier - kunne fremskynde udviklingen af ​​højenergi-lithiumbatterier, og muligvis andre energilagrings- og leveringsanordninger såsom brændselsceller, siger forskere.

Den nye tilgang er afhængig af at forstå den måde, vibrationer bevæger sig gennem krystalgitteret af lithium-ion-ledere og korrelere det med den måde, de hæmmer ion-migrering. Dette giver en måde at opdage nye materialer med forbedret ionmobilitet, tillader hurtig op- og afladning. På samme tid, metoden kan bruges til at reducere materialets reaktivitet med batteriets elektroder, som kan forkorte dets levetid. Disse to egenskaber - bedre ionmobilitet og lav reaktivitet - har haft en tendens til at være gensidigt udelukkende.

Det nye koncept er udviklet af et team ledet af W.M. Keck professor i energi Yang Shao-Horn, kandidatstuderende Sokseiha Muy, nyuddannet John Bachman Ph.D. '17, og forsker Livia Giordano, sammen med ni andre på MIT, Oak Ridge National Laboratory, og institutioner i Tokyo og München. Deres resultater blev rapporteret i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Det nye designprincip har været omkring fem år undervejs, Shao-Horn siger. Den indledende tankegang startede med den tilgang, hun og hendes gruppe har brugt til at forstå og kontrollere katalysatorer til vandspaltning, og anvende det til ionledning - den proces, der ligger i hjertet af ikke kun genopladelige batterier, men også andre nøgleteknologier såsom brændselsceller og afsaltningssystemer. Mens elektroner, med deres negative ladning, strømme fra den ene pol af batteriet til den anden (derved levere strøm til enheder), positive ioner strømmer den anden vej, gennem en elektrolyt, eller ionleder, klemt mellem disse pæle, for at fuldende flowet.

Typisk, at elektrolyt er en væske. Et lithiumsalt opløst i en organisk væske er en almindelig elektrolyt i nutidens lithium-ion-batterier. Men det stof er brandfarligt og har nogle gange fået disse batterier til at gå i brand. Søgningen har været i gang efter et solidt materiale til at erstatte det, hvilket ville eliminere det problem.

Der findes en række lovende solide ionledere, men ingen er stabile, når de er i kontakt med både de positive og negative elektroder i lithium-ion-batterier, Shao-Horn siger. Derfor, at søge nye solide ionledere, der har både høj ionledningsevne og stabilitet er kritisk. Men at sortere gennem de mange forskellige strukturelle familier og sammensætninger for at finde de mest lovende er en klassisk nål i et høstak-problem. Det er her, det nye designprincip kommer ind.

Ideen er at finde materialer, der har ionledningsevne, der kan sammenlignes med væsker, men med den langsigtede stabilitet af faste stoffer. Holdet spurgte, "Hvad er det grundlæggende princip? Hvad er designprincipperne på et generelt strukturelt niveau, der styrer de ønskede egenskaber?" Shao-Horn siger. En kombination af teoretisk analyse og eksperimentelle målinger har nu givet nogle svar, siger forskerne.

"Vi indså, at der er en masse materialer, der kunne opdages, men ingen forståelse eller fælles princip, der tillader os at rationalisere opdagelsesprocessen, " siger Muy, avisens hovedforfatter. "Vi kom op med en idé, der kunne indkapsle vores forståelse og forudsige, hvilke materialer der ville være blandt de bedste."

Nøglen var at se på gitteregenskaberne af disse faste materialers krystallinske strukturer. Dette styrer, hvordan vibrationer som bølger af varme og lyd, kendt som fononer, passere gennem materialer. Denne nye måde at se strukturerne på viste sig at tillade nøjagtige forudsigelser af materialernes faktiske egenskaber. "Når du kender [vibrationsfrekvensen for et givet materiale], du kan bruge den til at forudsige ny kemi eller til at forklare eksperimentelle resultater, " siger Shao-Horn.

Forskerne observerede en god sammenhæng mellem gitteregenskaberne bestemt ved hjælp af modellen og lithium-ion-ledermaterialets ledningsevne. "Vi lavede nogle eksperimenter for at understøtte denne idé eksperimentelt" og fandt resultaterne matchede godt, hun siger.

De fandt, i særdeleshed, at selve lithiums vibrationsfrekvens kan finjusteres ved at justere dets gitterstruktur, ved hjælp af kemisk substitution eller dopingmidler til subtilt at ændre det strukturelle arrangement af atomer.

Det nye koncept kan nu være et stærkt værktøj til at udvikle nye, bedre ydende materialer, der kan føre til dramatiske forbedringer i mængden af ​​strøm, der kan lagres i et batteri af en given størrelse eller vægt, samt forbedret sikkerhed, siger forskerne. Allerede, de brugte metoden til at finde nogle lovende kandidater. Og teknikkerne kunne også tilpasses til at analysere materialer til andre elektrokemiske processer såsom brændselsceller med fastoxid, membranbaserede afsaltningssystemer, eller oxygen-genererende reaktioner.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.