Ny natriumionelektrolyt kan finde anvendelse i solid-state batterier

En nyligt opdaget struktur af et natriumbaseret materiale gør det muligt at bruge materialerne som en elektrolyt i faststofsbatterier, ifølge forskere fra Penn State og Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Holdet finjusterer materialet ved hjælp af en iterativ designtilgang, som de håber vil barbere årevis af tiden fra forskning til daglig brug.

elektrolytten, en af ​​tre hoveddele af et batteri, er ansvarlig for at overføre ladede ioner i et solid-state batteri. Dette skaber en elektrisk strøm, når de to andre dele af batteriet, anoden og katoden, er forbundet i et kredsløb.

De fleste genopladelige batterier i smartphones, computere og anden forbrugerelektronik bruger en væske, lithium-baseret elektrolyt.

"Flydende elektrolytter har sikkerhedsproblemer, fordi de er brandfarlige, " sagde Donghai Wang, lektor i maskinteknik, Penn State. "Det har været drivkraften for os til at finde et godt materiale til brug i solid-state batterier."

Holdets nye materiale er sammensat af natrium, fosfor, tin og svovl og har en tetragonal krystalform. Det har fejl, eller rum, hvor bestemt natrium, tin- og svovlatomer ville være, og disse gør det muligt at overføre ioner.

Fordi natrium er meget mere rigeligt end lithium, et natrium-ion-batteri ville potentielt være langt billigere at producere end et lithium-ion-batteri. Materialet ville også være mere sikkert at bruge.

"Vores materiale har et bredt spændingsvindue samt høj termisk stabilitet, " sagde Zhaoxin Yu, postdoktor i maskin- og atomteknik, Penn State. "Når du opvarmer flydende elektrolytter op til 150 grader Celsius (302 grader Fahrenheit), de vil antændes eller frigive en masse varme, der kan beskadige andre batterier eller elektroniske komponenter. Vores materiale klarer sig godt op til 400 grader Celsius (752 grader Fahrenheit)."

Holdet rapporterede ind Nano energi at deres materiale har stuetemperatur ionisk ledningsevne omkring en tiendedel af flydende elektrolytter, der bruges i nutidens batterier. Den vigtige opdagelse, de sagde, er den specifikke konfiguration af defekter i krystalstrukturen.

"Vores opdagelse af denne nye struktur af dette materiale viser os også, at der er en vej til at skabe en ny familie af avancerede natrium-ion superioniske ledere, " sagde Shun-Li Shang, forskningsprofessor i materialevidenskab og teknik, Penn State.

Holdet skabte og testede dette nye batteri i Wangs laboratorium, som er en del af Penn State's Battery and Energy Storage Technology Center. Ved at bruge deres kollaborative designproces, holdet har været i stand til at identificere, hvordan forskellige krystalformationer, samt uoverensstemmelser i materialet, har påvirket dens ydeevne.

"Hvis du ikke har dette sæt værktøjer, det ville være svært at få et gennembrud, " sagde Zi-Kui Liu, fremtrædende professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Vores tilgang, der bruger både beregning og eksperimenter, giver os mulighed for at analysere årsagen til, at materialer fungerer anderledes. Det vil gøre tingene hurtigere til den næste designrunde, fordi vi ved, hvad vi skal kontrollere for at forbedre iontransport."

En del af teamets modellering fandt sted på supercomputere, der var vært af Penn State's Institute for CyberScience.