JCESR lægger grundlaget for mere sikker, batterier, der holder længere

Elektricitetsopbevaring i batterier er i stadig stigende efterspørgsel efter smartphones, bærbare computere, biler og elnettet. Solid-state batterier er blandt de mest lovende næste generations teknologier, fordi de tilbyder et højere sikkerhedsniveau og potentielt længere levetid.

Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) har gjort betydelige fremskridt med solid-state batterier som efterfølgere af nutidens lithium-ion (Li-ion) batterier. En stor udfordring med solid-state-batterier er at øge diffusionen af ​​Li-ioner i solid-state-elektrolytten, hvilket typisk er langsommere end i de flydende organiske elektrolytter, der nu bruges i Li-ion-batterier.

JCESR's Linda Nazar, en førende professor ved University of Waterloo, og Zhizhen Zhang, hendes postdoktorale forskningsassistent, offentliggjorde deres forskning om at forbedre mobiliteten af ​​Li-ioner i solid-state batterier ved hjælp af skovlhjulseffekten, som er den koordinerede bevægelse af atomer, i et papir med titlen:"Targeting Superionic Conductivity by Room Temperature by Turning on Anion Rotation in Fast Ion Conductors" den 3. juni i Stof , en månedlig tidsskrift for materialevidenskab. JCESR er et Energy Innovation Hub ledet af US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory. University of Waterloo er en af ​​JCESRs 18 partnere.

Solid-state batterier, ved hjælp af faste elektrolytter i stedet for de sædvanlige flydende organiske elektrolytter, er dukket op som en lovende erstatning for nutidens Li-ion-batterier, ifølge Nazar.

"De tilbyder potentialet i sikrere og længerevarende batterier, der kan levere højere energitæthed, der er vigtig for en lang række forskellige elektrokemiske energilagringsapplikationer, såsom køretøjer, robotter, droner og mere, "sagde Nazar." Som den vigtigste komponent i solid-state batterier, den faste elektrolyt bestemmer i høj grad dens sikkerhed og cyklusstabilitet. "

En uønsket kemisk reaktion, kaldet den termiske løbende reaktion, har ført til brande og eksplosioner, der involverer dagens Li-ion-batterier, som fortsætter med at brænde, indtil de løber tør for brændstof. På grund af disse farer, JCESR søger at fjerne den interne flydende organiske elektrolyt ved at erstatte den med et fast stof.

Meget få faststofelektrolytter har ionledningsevne så højt som flydende organiske elektrolytter, og de får størstedelen af ​​opmærksomheden. JCESR udforsker et lovende fænomen, der dramatisk fremskynder iondiffusion:rotationsbevægelsen af ​​normalt statiske negative ioner (dvs. anioner) i solid-state elektrolytrammen, der hjælper med at drive Li's bevægelse ⁺ positive ioner (dvs. kationer).

"Faktisk, det viser sig, at anion 'byggestenene', der udgør de solide rammer, ikke er stive, men undergår rotationsbevægelse, "sagde Nazar." Vores undersøgelse omhandler dette princip for at vise, at aniondynamikken inden for rammerne af det faste stof forstærker Li ⁺ kation transport. Aniondynamikken kan 'tændes' selv ved stuetemperatur ved at indstille rammen, og aniondynamikken er stærkt koblet til kationdiffusion af skovlhjulseffekten. Dette ligner lidt transport af mennesker gennem en svingdør med flere personer. "

Mens nye faste elektrolytter stadig er i udviklingsstadiet, fremskridtene er opmuntrende. Et gennembrud ville være en game changer og dramatisk øge sikkerheden og udbredelsen af ​​Li-ion-batterier, ifølge JCESR -direktør George Crabtree.

"Hvis du kan finde en solid-state elektrolyt, der muliggør hurtig Li ⁺ kationbevægelse, det ville være en drop-in-erstatning for flydende organiske elektrolytter og straks fjerne batterierne fra den termiske løbende reaktion, den største brandårsag i dagens Li-ion-batterier. "sagde Crabtree." Alene for sine sikkerhedsmæssige fordele, der ville være et stort marked for det i mobiltelefoner, bærbare computere, videooptagere, biler og elnettet. "

Den intellektuelle entusiasme for solid-state batterier deles på tværs af JCESR. Andre samarbejdspartnere ved University of Michigan og MIT undersøger også solide elektrolytter og skovlhjulseffekten. Solid-state batterier er en af ​​de mest lovende og eftertragtede fremskridt for industrien, sagde Crabtree.

"JCESR ønsker at forstå den atomare og molekylære oprindelse af batteriadfærd. Med denne viden, vi kan bygge batteriet nedefra og op, atom-for-atom og molekyle-for-molekyle, hvor hvert atom og molekyle spiller en foreskrevet rolle i frembringelsen af ​​den målrettede batteriadfærd, "Sagde Crabtree." Skovlhjulseffekten er et eksempel på det. Dette papir er helt på grænsen til solid elektrolytadfærd, og vi ønsker at overføre denne viden til den kommercielle sektor. "