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新的设计原则为锂离子电池提供更优质的电解质

2018-03-31来源:材料科技在线

  研究人员表示,分析和设计新离子导体的新方法为可充电电池提供了关键部件。新方法的应用可能会加速高能锂电池以及其他能量存储和传输装置(如燃料电池)的发展。

  研究人员发现,声波能够穿过固体材料,通过声音振动可以揭示离子带电荷的原子或分子如何通过晶格移动 ,以及它们如何在电池中实际的工作原理。在该图中,氧原子显示为红色,紫色金字塔形状为磷酸盐(PO4)分子。 橙色和绿色的球体是锂离子。

  新方法依赖于对振动通过锂离子导体晶格方式的理解。新方法与抑制离子迁移的方式相关联。这提供了一种方法来发现具有增强离子迁移性的新材料,允许快速充电和放电。同时,该方法还可以降低材料与电池电极的反应性,材料与电池电极的反应会缩短电池的使用寿命。更好的离子迁移率和低反应性这两个特性——往往是相互排斥的。

  这个新概念是由W.M领导的一个团队开发的。该团队包括Keck能源教授Yang Shao-Horn,研究生Sokseiha Muy,最近毕业的年仅17岁的博士John Bachman,研究科学家Livia Giordano以及麻省理工学院,橡树岭国家实验室以及东京和慕尼黑的其他9所院校人员。他们的研究结果在 Energy and Environmental Science杂志上报道。

  Shao-Horn说,新的设计原则已经有五年的时间了。最初的想法始于她和她的团队用来了解和控制催化水分解,并将其应用于离子传导 - 这一过程不仅是可充电电池的核心,而且也是其他应用的技术关键,如在燃料电池和海水淡化系统中的应用。当带有负电荷的电子从电池的一极流向另一极(从而为装置提供电力)时,正离子以另一种方式流过电解质或夹在这些极之间,以完成流动。

  典型地,电解质以液体形式存在时,溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中常见的电解质。但该物质易燃,有时会导致这些电池着火。通过新方法寻找一个可靠的材料来取代锂盐将消除这个问题。

  Shao-Horn说,存在多种有前景的固体离子导体,在与锂离子电池的正极和负极接触相比都具有不稳定性的特点。因此,寻找既具有高离子电导率又具有稳定性的新的固体离子导体是至关重要的。但是,通过对许多不同的结构族和成分进行分类,找到最有前途的结构无疑是一项大海捞针的工作。这就是新的设计原则的用武之地。

  我们的想法是寻找离子电导率与液体相当的材料,但必须具有固体的长期稳定性。Shao-Horn说研究人员被问到“基本原则是什么”,“在一般的结构层次上,是什么设计原则来控制所需属性的”。研究人员回应理论分析和实验测量相结合的方法现在已经有了一些结果。

  该论文的第一作者Muy说:“我们意识到有很多材料可以被发现,但是没有理解或者共同的原则让我们能够合理化发现过程。我们想出了一个可以封装我们的理解并预测哪些材料将处于最佳状态的想法。”

  Shao-Horn 说,关键是要观察这些固体材料的晶格性质。这决定了诸如热波和声子之类的振动是如何通过材料的。这种观察结构的新方法最终证明能够准确地预测材料的实际性能。一旦你知道了某物质的振动频率,你就可以用它来预测新的化学性质或解释实验结果。

  研究人员观察到使用该模型确定的晶格特性与锂离子导体材料的导电性之间具有良好的相关性。她说,“我们做了一些实验来实验性地支持这个想法”,并发现结果非常吻合。

  他们特别发现,锂的振动频率本身可以通过调整晶格结构、使用化学取代或掺杂剂来微妙地改变原子的结构排列来进行微调。

  研究人员表示这个新概念现在可以提供一个强大的工具,用于开发新的性能更好的材料,从而可以大幅度提高可存储在给定尺寸或重量的电池中的功率量,并提高安全性。他们已经用这个新方法筛选出了一些新的材料。而且这些技术还可以适用于分析其他电化学过程的材料,如固体氧化物燃料电池,基于膜的脱盐系统或产生氧气的反应。

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