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Eine neue Möglichkeit, bessere Batteriematerialien zu finden
Apr 23, 2018

Eine neue Möglichkeit, bessere Batteriematerialien zu finden

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Design-Prinzipien könnten auf bessere Elektrolyte für Lithium-Batterien der nächsten Generation hinweisen.

Ein neuer Ansatz zur Analyse und zum Design neuer Ionenleiter - ein wichtiger Bestandteil von wiederaufladbaren Batterien - könnte die Entwicklung von Lithiumbatterien mit hoher Energie und möglicherweise anderen Energiespeicher- und -lieferungsvorrichtungen, wie z. B. Brennstoffzellen, beschleunigen.

 

Der neue Ansatz beruht auf dem Verständnis der Art und Weise, wie sich Schwingungen durch das Kristallgitter von Lithiumionenleitern bewegen und diese mit der Art und Weise korrelieren, in der sie die Ionenwanderung hemmen. Dies bietet eine Möglichkeit, neue Materialien mit verbesserter Ionenmobilität zu entdecken, die ein schnelles Laden und Entladen ermöglichen. Gleichzeitig kann das Verfahren verwendet werden, um die Reaktivität des Materials mit den Elektroden der Batterie zu verringern, was seine Lebensdauer verkürzen kann. Diese beiden Eigenschaften - bessere Ionenmobilität und geringe Reaktivität - schließen sich tendenziell gegenseitig aus.

 

Das neue Konzept wurde von einem Team um den WM-Keck-Professor für Energie Yang Shao-Horn, den Doktoranden Sokseiha Muy, den frisch promovierten John Bachman PhD '17 und die Forscherin Livia Giordano zusammen mit neun anderen am MIT, dem Oak Ridge National Laboratory, entwickelt und Institutionen in Tokio und München. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Energy and Environmental Science veröffentlicht.

 

Das neue Design-Prinzip sei rund fünf Jahre in Arbeit, sagt Shao-Horn. Das anfängliche Denken begann mit dem Ansatz, den sie und ihre Gruppe verwendet haben, um Katalysatoren für die Wasserspaltung zu verstehen und zu steuern und sie auf die Ionenleitung anzuwenden - den Prozess, der nicht nur für Akkumulatoren, sondern auch für andere Schlüsseltechnologien wie Treibstoff von zentraler Bedeutung ist Zellen und Entsalzungssysteme. Während Elektronen mit ihrer negativen Ladung von einem Pol der Batterie zu dem anderen fließen (wodurch Energie für Vorrichtungen bereitgestellt wird), fließen positive Ionen in die andere Richtung durch einen Elektrolyt oder Ionenleiter, der zwischen diesen Polen eingeschlossen ist, um die Strömung zu vervollständigen .

 

Typischerweise ist dieser Elektrolyt eine Flüssigkeit. Ein in organischen Flüssigkeiten gelöstes Lithiumsalz ist in heutigen Lithium-Ionen-Batterien ein gängiger Elektrolyt. Aber diese Substanz ist brennbar und hat manchmal dazu geführt, dass diese Batterien Feuer fangen. Es wurde nach einem soliden Material gesucht, um es zu ersetzen, was dieses Problem beseitigen würde.

 

Eine Vielzahl von vielversprechenden festen Ionenleitern existiert, aber keine ist stabil, wenn sie in Kontakt mit sowohl der positiven als auch der negativen Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien ist, sagt Shao-Horn. Daher ist die Suche nach neuen festen Ionenleitern, die sowohl eine hohe Ionenleitfähigkeit als auch eine hohe Stabilität aufweisen, kritisch. Aber durch die vielen verschiedenen strukturellen Familien und Kompositionen zu suchen, um die vielversprechendsten zu finden, ist eine klassische Nadel im Heuhaufen-Problem. Hier setzt das neue Design-Prinzip an.

 

Die Idee besteht darin, Materialien zu finden, deren Ionenleitfähigkeit mit der von Flüssigkeiten vergleichbar ist, aber mit der Langzeitstabilität von Feststoffen. Das Team fragte: "Was ist das Grundprinzip? Was sind die Designprinzipien auf einer allgemeinen strukturellen Ebene, die die gewünschten Eigenschaften bestimmen? ", Sagt Shao-Horn. Eine Kombination aus theoretischer Analyse und experimentellen Messungen hat nun einige Antworten ergeben, sagen die Forscher.

 

"Wir haben festgestellt, dass es viele Materialien gibt, die entdeckt werden können, aber kein Verständnis oder gemeinsames Prinzip, das uns erlaubt, den Entdeckungsprozess zu rationalisieren", sagt Muy, der Hauptautor der Zeitung. "Wir haben eine Idee entwickelt, die unser Verständnis kapseln und vorhersagen könnte, welche Materialien zu den Besten gehören würden."

 

Der Schlüssel war, die Gittereigenschaften der kristallinen Strukturen dieser festen Materialien zu betrachten. Dies regelt, wie Schwingungen wie Wärme- und Schallwellen, sogenannte Phononen, Materialien durchdringen. Diese neue Betrachtungsweise der Strukturen ermöglichte eine genaue Vorhersage der tatsächlichen Eigenschaften der Materialien. "Sobald Sie [die Schwingungsfrequenz eines gegebenen Materials] kennen, können Sie damit neue Chemie vorhersagen oder experimentelle Ergebnisse erklären", sagt Shao-Horn.

 

Die Forscher beobachteten eine gute Korrelation zwischen den Gittereigenschaften, die unter Verwendung des Modells bestimmt wurden, und der Leitfähigkeit des Lithium-Ionen-Leitermaterials. "Wir haben einige Experimente gemacht, um diese Idee experimentell zu unterstützen" und fanden die Ergebnisse gut, sagt sie.

 

Sie fanden insbesondere heraus, dass die Schwingungsfrequenz von Lithium selbst durch Feinabstimmung der Gitterstruktur fein eingestellt werden kann, wobei chemische Substitution oder Dotierungsmittel verwendet werden, um die strukturelle Anordnung von Atomen auf subtile Weise zu verändern.

 

Das neue Konzept kann nun ein leistungsfähiges Werkzeug für die Entwicklung neuer, leistungsfähigerer Materialien liefern, die zu dramatischen Verbesserungen der Energiemenge führen könnten, die in einer Batterie einer bestimmten Größe oder eines Gewichts gespeichert werden könnten, sowie eine verbesserte Sicherheit, so die Forscher sagen. Sie haben diese Methode bereits genutzt, um vielversprechende Kandidaten zu finden. Und die Techniken könnten auch angepasst werden, um Materialien für andere elektrochemische Prozesse wie Festoxidbrennstoffzellen, membranbasierte Entsalzungssysteme oder Sauerstofferzeugungsreaktionen zu analysieren.

 

Das Team schloss Hao-Hsun Chang am MIT ein; Douglas Abernathy, Dipanshu Bansal und Olivier Delaire in Oak Ridge; Santoshi Hori und Ryoji Kanno am Tokyo Institute of Technology; und Filippo Maglia, Saskia Lupart und Peter Lamp bei Research Battery Technology bei der BMW Group in München. Die Arbeit wurde von BMW, der National Science Foundation und dem US-Energieministerium unterstützt.

 

Copyright: Urheberrecht David L. Chandler | MIT Nachrichtenbüro 25. März 2018. Alle Rechte vorbehalten.