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Neuer Natrium-Ionen-Elektrolyt kann in Festkörperbatterien Verwendung finden
Apr 18, 2018

Neuer Natriumionen-Elektrolyt kann in Festkörperbatterien Verwendung finden

Datum: 10. April 2018

Quelle: Penn State

Zusammenfassung:

Eine neu entdeckte Struktur eines Materials auf Natriumbasis erlaubt laut Forschern die Verwendung der Materialien als Elektrolyt in Festkörperbatterien. Das Team stimmt das Material mit einem iterativen Design-Ansatz ab, von dem sie hoffen, dass es die Zeit von der Recherche bis zur täglichen Nutzung einsparen wird.

 

GANZE GESCHICHTE

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Zhaoxin Yu, Postdoktorand in Maschinenbau und Nukleartechnik, stellt die Komponenten einer Batterie zusammen.

Kredit: Penn State

 

Eine neu entdeckte Struktur eines Materials auf Natriumbasis ermöglicht die Verwendung der Materialien als Elektrolyt in Festkörperbatterien, so Forscher von Penn State und Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Das Team stimmt das Material mit einem iterativen Design-Ansatz ab, von dem sie hoffen, dass es die Zeit von der Recherche bis zur täglichen Nutzung einsparen wird.

 

Der Elektrolyt, einer von drei Hauptbestandteilen einer Batterie, ist verantwortlich für die Übertragung geladener Ionen in einer Festkörperbatterie. Dies erzeugt einen elektrischen Strom, sobald die anderen zwei Teile der Batterie, die Anode und die Kathode, in einem Stromkreis verbunden sind.

 

Die meisten wiederaufladbaren Batterien in Smartphones, Computern und anderen Unterhaltungselektronikgeräten verwenden einen flüssigen Elektrolyt auf Lithiumbasis.

 

"Flüssige Elektrolyte haben Sicherheitsprobleme, weil sie brennbar sind", sagte Donghai Wang, Associate Professor für Maschinenbau, Penn State. "Das war die treibende Kraft für uns, ein gutes Material für den Einsatz in Festkörperbatterien zu finden."

 

Das neue Material des Teams besteht aus Natrium, Phosphor, Zinn und Schwefel und hat eine tetragonale Kristallform. Es hat Defekte oder Räume, in denen bestimmte Natrium-, Zinn- und Schwefelatome sein könnten, und diese erlauben ihm, Ionen zu übertragen.

 

Da Natrium viel häufiger vorhanden ist als Lithium, wäre eine Natriumionenbatterie möglicherweise viel billiger herzustellen als eine Lithium-Ionen-Batterie. Das Material wäre auch sicherer zu verwenden.

 

"Unser Material hat ein breites Spannungsfenster sowie eine hohe thermische Stabilität", sagte Zhaoxin Yu, Postdoktorand in Maschinenbau und Kerntechnik, Penn State. "Wenn Sie flüssige Elektrolyte auf bis zu 150 Grad Celsius erhitzen, werden sie Feuer fangen oder viel Wärme freisetzen, die andere Batterie- oder Elektronikkomponenten beschädigen könnte. Unser Material leistet bis zu 400 Grad Celsius (752 Grad Fahrenheit). . "

 

Das Team berichtete in Nano Energy, dass ihr Material eine Raumtemperatur-Ionenleitfähigkeit von etwa einem Zehntel der von in heutigen Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyten aufweist. Die wichtigste Entdeckung sei die spezifische Konfiguration von Defekten in der Kristallstruktur.

 

"Unsere Entdeckung dieser neuen Struktur dieses Materials zeigt uns auch, dass es einen Weg gibt, eine neue Familie von fortgeschrittenen Natriumionen-Superionenleiter zu schaffen", sagte Shun-Li Shang, Forschungsprofessor für Materialwissenschaften und -technik, Penn State.

 

Das Team erstellte und testete diese neue Batterie in Wangs Labor, das zum Battery and Energy Storage Technology Centre von Penn State gehört. Mithilfe ihres kollaborativen Designprozesses konnte das Team feststellen, wie sich unterschiedliche Kristallformationen sowie Inkonsistenzen im Material auf seine Leistung ausgewirkt haben.

 

"Wenn Sie nicht über diese Werkzeuge verfügen, wäre es schwierig, einen Durchbruch zu erzielen", sagte Zi-Kui Liu, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, Penn State. "Unser Ansatz, der sowohl Berechnungen als auch Experimente verwendet, ermöglicht es uns, den Grund zu analysieren, warum Materialien sich unterschiedlich verhalten. Das wird die nächste Runde schneller machen, weil wir wissen, was wir kontrollieren müssen, um den Ionentransport zu verbessern."

 

Ein Teil der Modellierung des Teams fand auf Supercomputern statt, die vom Penn State Institute for CyberScience veranstaltet wurden.

 

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von Penn State. Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

 

Zeitschriftenreferenz:

 

Zhaoxin Yu, Shun-Li Shang, Yue Gao, Daiwei Wang, Xiaolin Li, Zi-Kui Liu, Donghai Wang. Ein quaternärer Natrium-Superionenleiter - Na 10,8 Sn 1,9 PS 11,8. Nano Energie, 2018; 47: 325 DOI: 10.1016 / j.nanoen.2018.01.046