Genom att tillsätta kolatomer till en ny typ av fast litiumjonbatteri kan det laddas snabbare och säkrare.

Solid-state litiumjonbatterier kan ge dramatiskt förbättrad säkerhet, spänning och energitäthet jämfört med dagens batterier, som använder flytande komponenter. De kan användas i elfordon, liksom i kraftelektronik. Dock, de är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium, med mycket få kommersialiserade hittills.

I ny forskning av ett internationellt samarbete som gemensamt leds av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -forskaren Brandon Wood och Mirjana Dimitrievska från National Institute of Standards and Technology (NIST), teamet upptäckte varför ersättning av en boratom för en kolatom i ett nyckelbatterielektrolytmaterial fick litiumjoner att röra sig ännu snabbare, vilket är attraktivt för ett mer robust solid-state-batteri. Detta är ett exempel på vad forskare kallar "frustration":systemets dynamik säkerställer att litium aldrig blir nöjd med sin nuvarande position, så det rör sig alltid. Forskningen visas i den 20 februari upplagan av Avancerade energimaterial .

"Eftersom elektrolyternas nyckelfunktion är att transportera joner, det är ett trevligt fynd, "Sa Wood.

Ett av de viktigaste hindren är det lilla antalet kandidatfast elektrolytmaterial som effektivt kan skicka litiumjoner mellan batteripolerna. I ett vanligt batteri, detta görs enkelt genom en vätska, men fasta material som kan göra detta är extremt sällsynta. Några av de tillgängliga materialen har stabilitetsproblem. Andra är svåra att bearbeta. De flesta av de återstående kandidaterna är helt enkelt för långsamma med att flytta litiumjoner, vilket innebär att de måste göras mycket tunna för att vara effektiva.

Det nya arbetet fokuserar på ett material inom en ny materialklass, closoborater, som nyligen upptäcktes ha snabb litiumjonrörlighet. Enligt Wood, closoborater är elektrokemiskt stabila och kan enkelt bearbetas, med några betydande fördelar jämfört med konkurrenterna. Även om det fortfarande finns några återstående hinder för kommersialisering - högre termisk stabilitet, mekanisk styrka och cykelbarhet är nuvarande fokus - denna nya klass är en attraktiv potentiell ersättning för nuvarande fasta elektrolyter.

"En annan viktig fördel med closoborater är deras inneboende avstämbarhet, "sa LLNL postdoktoralforskare Patrick Shea, som utvecklat några av de analysverktyg som används i studien. "De kan lätt legeras, samt strukturellt och kemiskt modifierat. I många fall, dessa förändringar kan dramatiskt förändra deras beteende. "

Samarbetspartners på Sandia National Laboratories och NIST arbetade med att modifiera dessa material för att göra dem ännu bättre. De fann att substitutionen av en boratom med en kolatom gör att litiumatomer rör sig ännu snabbare.

Att förstå hur och varför detta händer kräver en djup modellering av mekanismer för litiumjonstransport genom den fasta matrisen, samt detaljerad experimentell karakterisering för att åtfölja och validera modellerna. Teamet använde en avancerad kvantmekanisk modelleringsteknik-ab initio molekylär dynamik-och kombinerade den med en experimentell teknik med hög kvalitet, kvasielastisk neutronspridning.

Elektrolytmaterialet är ett salt som består av positivt laddade litiumkatjoner och negativt laddade closo-borat-anjoner. Forskningen visade att closo-borate anjonerna omorienterar sig snabbt, snurrar runt i den fasta matrisen när de växlar mellan specifika föredragna riktningar. Tillsatsen av kol till closo-borat-anjonen skapar det som kallas en dipol, som avvisar litium i den lokala närheten av kolatomen. När anjonen snurrar, kolatomen vetter mot olika riktningar, varje gång tvingar litium att flytta bort till en närliggande plats i den fasta matrisen. Eftersom saltet är fullt av snurrande anjoner, detta resulterar i mycket snabb rörelse av litium.

"Nu när vi förstår de fördelaktiga konsekvenserna, vi kan börja tänka på hur man introducerar liknande effekter genom kemisk modifiering av anjonen själv, "Wood sa." Vi kan också börja tänka på hur struktur och kemi hänger ihop, vilket kan ge ledtrådar om hur strukturella modifieringar av materialet kan generera ytterligare förbättringar. "

Joel Varley, en LLNL-materialvetare och medförfattare på tidningen, tillade:"Det är ett tidigt steg mot att utveckla en ny klass av robusta fasta elektrolyter med ultrahög litiumjonrörlighet, erbjuder ett attraktivt alternativ för nuvarande solid-state batteridesigner. Den allmänna designprincipen kan också vara användbar för att optimera andra fasta elektrolytmaterial där molekylära rotationer spelar en roll. "