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Neues Konzept für die Elektrolyte für Next-Generation-Lithium-Batterien besser
May 30, 2018

Neues Konzept für die Elektrolyte für Next-Generation-Lithium-Batterien besser

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Abbildung zeigt das Kristallgitter eines vorgeschlagenen Akku Elektrolyt Materials Li3PO4 genannt. Die Forscher fanden heraus, dass Messen, wie die Schwingungen des Klangs durch das Gitter bewegen zeigen konnte wie gut Ionen – elektrisch aufgeladen Atome oder Moleküle – durch das feste Material reisen konnte und daher, wie sie in einer realen Batterie funktionieren würde. In diesem Diagramm werden die Sauerstoffatome in rot angezeigt, die lila Pyramide Formen Phosphat (PO4) Moleküle sind. Die orangefarbenen und grünen Kugeln sind Lithium-Ionen. Bild: Sokseiha Muy

 

Einen neuen Ansatz zur Analyse und Gestaltung von neuen Ionenleiter – eine Schlüsselkomponente des Akkus – beschleunigte die Entwicklung des energiereichen Lithium-Batterien, und möglicherweise andere Energievorrichtungen Lagerung und Auslieferung wie Brennstoffzellen, Forscher sagen .

 

Das neue Konzept setzt auf Verständnis, dass die Art und Weise Vibrationen durch das Kristallgitter des Lithium-Ionen-Dirigenten zu bewegen und korrelieren, dass die Art und Weise sie Ion Migration hemmen. Dies bietet eine Möglichkeit, neue Materialien mit verbesserten IONENBEWEGLICHKEIT ermöglicht schnelles Be- und entladen zu entdecken. Die Methode ist zum gleichen Zeitpunkt lässt sich das Material Reaktivität mit dem batterieelektroden reduzieren die Lebensdauer verkürzen kann. Diese beiden Eigenschaften – bessere IONENBEWEGLICHKEIT und geringen Reaktivität — neigen dazu, sich gegenseitig ausschließen.

 

Das neue Konzept wurde entwickelt von einem Team unter der Leitung von w.m. Keck Professor Energie Yang Shao-Horn, Doktorand Sokseiha Muy, jüngste Absolvent John Bachman PhD 17, und Forschung Wissenschaftler Livia Giordano, zusammen mit neun anderen am Oak Ridge National Laboratory, MIT und Institutionen in Tokio und München. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Energy and Environmental Science berichtet.

 

Das neue Konstruktionsprinzip etwa fünf Jahre in der Herstellung gewesen, sagt Shao-Horn. Das anfängliche denken begann mit dem Ansatz, die sie und ihre Gruppe zu verstehen und zu steuern, Katalysatoren für Wasser teilen, und dessen Anwendung auf Ion Wärmeleitung verwendet haben – der Prozess, der das Herzstück des nicht nur Akkus, sondern auch andere wichtige Technologien wie Brennstoffzellen und Entsalzungsanlagen. Während Elektronen, mit ihrer negativen Ladung von einem Pol der Batterie zum anderen fließen (wodurch Stromversorgung für Geräte), positive Ionen fließen anders über einen Elektrolyten oder Ionen-Dirigent, eingeklemmt zwischen diesen Polen, um den Fluss zu vervollständigen.

 

Dieser Elektrolyt ist in der Regel eine Flüssigkeit. Eine Lithiumsalz aufgelöst in eine organische Flüssigkeit ist eine gemeinsame Elektrolyt in heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Aber diese Substanz leicht entzündlich ist und manchmal hat verursacht diese Batterien um Feuer zu fangen. Die Suche wurde auf für ein festes Material zu ersetzen, die dieses Problem beseitigen würde.

 

Gibt es eine Vielzahl von vielversprechenden fester Ionenleiter, aber keiner ist stabil bei Berührung mit den positiven und negativen Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien, Shao-Horn sagt. Daher ist es wichtig, ich Suche neue feste Ionenleiter, die hohe Ionenleitfähigkeit und Stabilität haben. Aber die Sortierung durch die vielen verschiedenen strukturellen Familien und Kompositionen, die vielversprechendsten zu finden ist eine klassische Nadel in einem Heuhaufen Problem. Hier kommt das neue Konstruktionsprinzip.

 

Die Idee ist, Materialien zu finden, die Ionenleitfähigkeit vergleichbar der Flüssigkeiten, wobei die Langzeitstabilität von Feststoffen. Das Team fragte: "Was ist das Grundprinzip? Was sind die Design-Prinzipien auf einer allgemeinen strukturellen Ebene, die die gewünschten Eigenschaften zu regieren?" Shao-Horn sagt. Eine Kombination von theoretischen und experimentellen Messungen jetzt einige Antworten geführt hat, sagen die Forscher.

 

"Wir erkannten, dass es gibt eine Menge von Materialien, die entdeckt werden konnten, aber kein Verständnis oder gemeinsamen Prinzip, das uns erlaubt, die Discovery-Prozess zu rationalisieren", sagt Muy, Hauptautor des Papiers. "Wir kamen mit einer Idee, die unser Verständnis zu kapseln und vorherzusagen, welche Materialien zu den besten wäre könnte."

 

Der Schlüssel war, um das Gitter Eigenschaften kristalliner Strukturen diese Feststoffe. Dieser bestimmt, wie Schwingungen wie Wellen der Wärme- und Schallschutz, bekannt als Phononen, Materialien durchlaufen. Diese neue Sichtweise auf die Strukturen erwies sich als um genaue Vorhersagen der tatsächlichen Eigenschaften der Materialien zu ermöglichen. "Wenn Sie [die Schwingungsfrequenz eines bestimmten Materials] kennen, Sie es, neue Chemie vorherzusagen oder experimentelle Ergebnisse erklären können", sagt Shao-Horn.

 

Die Forscher beobachteten eine gute Korrelation zwischen den Gitter-Eigenschaften über das Modell und die Lithium-Ionen-Dirigent Material Leitfähigkeit ermittelt. "Wir haben einige Experimente durchführen, um diese Idee experimentell zu unterstützen" und fanden die Ergebnisse gut abgestimmt, sagt sie.

 

Sie fanden vor allem, dass die Schwingungsfrequenz von Lithium selbst angepasst werden kann, durch die Feinabstimmung ihrer Gitterstruktur mit chemische Substitution oder Dotierstoffe auf subtile Weise die strukturelle Anordnung der Atome ändern.

 

Das neue Konzept nun ein mächtiges Werkzeug für die Entwicklung neuer, leistungsfähigerer Materialien bereitstellen können, die zu dramatischen Verbesserungen in der Höhe von Energie führen könnten, die in einer Batterie von einer bestimmten Größe oder Gewicht sowie verbesserte Sicherheit gespeichert werden könnte, sagen die Forscher. Bereits, benutzten sie die Methode, um einige viel versprechende Kandidaten zu finden. Und die Techniken auch an Materialien für andere elektrochemische Prozesse wie Solid-oxid Brennstoffzellen analysieren angepasst werden konnte, Membran Entsalzungsanlagen oder Sauerstoff erzeugenden Reaktionen.

 

Zum Team gehörten Hao-Hsun Chang am MIT; 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 Lampe am Forschung-Batterie-Technologie bei der BMW Group in München. Die Arbeit wurde von BMW, der National Science Foundation und das U.S. Department of Energy unterstützt.

 

Publikation: Sokseiha Muy, Et Al., "Tuning-Mobilität und Stabilität der Lithium-Ionen-Dirigenten basierend auf Gitter Dynamik" Energie Umwelt. Sci., 2018,Doi:10.1039 / C7EE03364H

 

资料来源: Quelle: David L. Chandler, MIT Nachrichtenbüro