Forskere finder frustration i batterimaterialer

Tilføjelse af kulstofatomer til en ny type fast lithium-ion-batteri kan få det til at oplade hurtigere og mere sikkert.

Solid-state lithium-ion-batterier kan give dramatisk forbedret sikkerhed, spænding og energitæthed sammenlignet med nutidens batterier, som bruger flydende komponenter. De kan bruges i elektriske køretøjer, samt i kraftelektronik. Imidlertid, de er stadig i et tidligt udviklingsstadium, med meget få kommercialiseret til dato.

I ny forskning udført af et internationalt samarbejde ledet i fællesskab af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmand Brandon Wood og Mirjana Dimitrievska fra National Institute of Standards and Technology (NIST), holdet opdagede, hvorfor det at erstatte ét boratom med ét kulstofatom i et nøglebatterielektrolytmateriale fik lithium-ioner til at bevæge sig endnu hurtigere, hvilket er attraktivt for et mere robust solid-state batteri. Dette er et eksempel på, hvad videnskabsmænd omtaler som "frustration":systemets dynamik sikrer, at lithium aldrig er tilfreds med sin nuværende position, så det bevæger sig altid rundt. Undersøgelsen vises i 20. februar-udgaven af Avancerede energimaterialer .

"Da nøglefunktionaliteten af ​​elektrolytter er at transportere ioner, det er et dejligt fund, " sagde Wood.

En af de vigtigste forhindringer er det lille antal kandidater af faste elektrolytmaterialer, der effektivt kan flytte lithiumioner mellem batteripolerne. I et almindeligt batteri, dette gøres nemt gennem en væske, men solide materialer, der kan gøre dette, er yderst sjældne. Nogle af de tilgængelige materialer har stabilitetsproblemer. Andre er svære at bearbejde. De fleste af de resterende kandidater er simpelthen for langsomme til at flytte lithiumioner rundt, hvilket betyder, at de skal gøres meget tynde for at være effektive.

Det nye værk fokuserer på ét materiale inden for en ny klasse af materialer, closo-borater, der for nylig blev opdaget at have hurtig lithium-ion-mobilitet. Ifølge Wood, closo-borater er elektrokemisk stabile og kan let behandles, giver nogle væsentlige fordele i forhold til konkurrenterne. Selvom der stadig er nogle resterende barrierer for kommercialisering - højere termisk stabilitet, mekanisk styrke og cyklerbarhed er det aktuelle fokus - denne nye klasse er en attraktiv potentiel erstatning for nuværende faste elektrolytter.

"En anden vigtig fordel ved closo-borater er deres iboende tunerbarhed, " sagde LLNL postdoc-forsker Patrick Shea, som udviklede nogle af de analyseværktøjer, der blev brugt i undersøgelsen. "De kan let legeres, samt strukturelt og kemisk modificeret. I mange tilfælde, disse ændringer kan dramatisk ændre deres adfærd."

Samarbejdspartnere ved Sandia National Laboratories og NIST arbejdede på at modificere disse materialer for at gøre dem endnu bedre. De fandt ud af, at substitutionen af ​​et boratom til et carbonatom får lithiumatomer til at bevæge sig endnu hurtigere.

At forstå, hvordan og hvorfor dette sker, kræver dyb modellering af mekanismer for lithiumiontransport gennem den faste matrix, samt detaljeret eksperimentel karakterisering til at ledsage og validere modellerne. Holdet brugte en avanceret kvantemekanisk modelleringsteknik - ab initio molekylær dynamik - og kombinerede den med en eksperimentel high-fidelity-teknik, kvasielastisk neutronspredning.

Elektrolytmaterialet er et salt bestående af positivt ladede lithiumkationer og negativt ladede closo-boratanioner. Forskningen viste, at closo-borat-anionerne omorienterer sig hurtigt, snurrer rundt i den faste matrix, mens de veksler mellem specifikke foretrukne retninger. Tilsætningen af ​​kulstof til closo-borat-anionen skaber, hvad der er kendt som en dipol, som afviser lithium i den lokale nærhed af kulstofatomet. Mens anionen spinder, carbonatomet vender forskellige retninger, hver gang tvinger lithium til at flytte væk til et nærliggende sted i den faste matrix. Fordi saltet er fyldt med spindende anioner, dette resulterer i meget hurtig bevægelse af lithium.

"Nu hvor vi forstår de gavnlige konsekvenser, vi kan begynde at tænke på, hvordan man introducerer lignende effekter ved kemisk modifikation af selve anionen, " sagde Wood. "Vi kan også begynde at tænke på, hvordan struktur og kemi hænger sammen, som kan give fingerpeg om, hvordan strukturelle ændringer af materialet kunne generere yderligere forbedringer."

Joel Varley, en LLNL materialeforsker og medforfatter på papiret, tilføjede:"Det er et tidligt skridt i retning af at udvikle en ny klasse af robuste faste elektrolytter med ultrahøj lithiumionmobilitet, tilbyder et attraktivt alternativ til nuværende solid-state batteridesign. Det generelle designprincip kan også være nyttigt til at optimere andre faste elektrolytmaterialer, hvor molekylære rotationer spiller en rolle."