Ellagring i batterier är en ständigt ökande efterfrågan på smartphones, bärbara datorer, bilar och elnätet. Solid-state-batterier är bland de mest lovande nästa generations teknologier eftersom de erbjuder en högre säkerhetsnivå och potentiellt längre livslängd.

Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) har gjort betydande framsteg med solid state-batterier som efterföljare till dagens litiumjonbatterier (Li-ion). En stor utmaning med solid-state-batterier är att öka diffusiviteten av Li-joner i solid-state elektrolyten, vilket vanligtvis är långsammare än i flytande organiska elektrolyter som nu används i litiumjonbatterier.

JCESR:s Linda Nazar, en ledande professor vid University of Waterloo, och Zhizhen Zhang, hennes postdoktorala forskarassistent, publicerade sin forskning om att förbättra rörligheten för Li-joner i solid-state-batterier med skovelhjulseffekten, som är atomernas samordnade rörelse, i en artikel med titeln:"Targeting Superionic Conductivity at Room Temperature by Turning on Anion Rotation in Fast Ion Conductors" den 3 juni i Materia , en månadstidning för materialvetenskap. JCESR är en energiinnovationshub som leds av det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. University of Waterloo är en av JCESR:s 18 partners.

Solid-state batterier, använda fasta elektrolyter i stället för de vanliga flytande organiska elektrolyterna, har dykt upp som en lovande ersättare för dagens Li-ion-batterier, enligt Nazar.

"De erbjuder potentialen för säkrare och mer hållbara batterier som kan leverera högre energitäthet som är viktiga för en mängd olika elektrokemiska energilagringstillämpningar, såsom fordon, robotar, drönare och mer, ", sa Nazar. "Som den viktigaste komponenten i solid state-batterier, den fasta elektrolyten bestämmer dess säkerhet och cykelstabilitet i stor utsträckning."

En oönskad kemisk reaktion, kallad termisk runaway-reaktion, har lett till bränder och explosioner som involverar dagens Li-ion-batterier som fortsätter brinna tills bränslet tar slut. På grund av dessa faror, JCESR strävar efter att eliminera den inre flytande organiska elektrolyten genom att ersätta den med en fast substans.

Mycket få fasta elektrolyter har så hög jonledningsförmåga som flytande organiska elektrolyter, och de får lejonparten av uppmärksamheten. JCESR utforskar ett lovande fenomen som dramatiskt påskyndar jondiiffusion:rotationsrörelsen hos normalt statiska negativa joner (d.v.s. anjoner) i fasta elektrolytskelettet som hjälper till att driva rörelsen hos Li ⁺ positiva joner (dvs. katjoner).

"Faktiskt, det visar sig att anjonens "byggstenar" som utgör det fasta ramverket inte är stela, men genomgår roterande rörelse, " sa Nazar.  "Vår studie tar upp denna princip för att visa att anjondynamik inom ramen för den fasta substansen förbättrar Li ⁺ katjontransport. Anjondynamiken kan "slå på" även vid rumstemperatur genom att justera ramverket, och anjondynamiken är starkt kopplad till katjondiffusion av skovelhjulseffekten. Det här är något som liknar transport av människor genom en svängdörr för flera personer."

Medan nya fasta elektrolyter fortfarande är i utvecklingsstadiet, framstegen är uppmuntrande. Ett genombrott skulle vara en game changer och dramatiskt öka säkerheten och användningen av Li-ion-batterier, enligt JCESR:s direktör George Crabtree.

"Om du kan hitta en elektrolyt i fast tillstånd som möjliggör snabb Li ⁺ katjonrörelse, det skulle vara en drop-in ersättning för flytande organiska elektrolyter och omedelbart befria batterier från den termiska rinnande reaktionen, den största brandorsaken i dagens Li-ion-batterier." sa Crabtree. "Enbart för dess säkerhetsfördelar, det skulle finnas en enorm marknad för det inom mobiltelefoner, bärbara datorer, videobandspelare, bilar och elnätet."

Den intellektuella entusiasmen för solid-state-batterier delas över JCESR. Andra medarbetare vid University of Michigan och MIT undersöker också fasta elektrolyter och skovelhjulseffekten. Solid-state-batterier är en av de mest lovande och eftertraktade framstegen för industrin, sa Crabtree.

"JCESR vill förstå ursprunget till batteribeteende på atom- och molekylnivå.  Med denna kunskap, vi kan bygga batteriet nerifrån och upp, atom för atom och molekyl för molekyl, där varje atom och molekyl spelar en föreskriven roll för att producera det riktade batteribeteendet, " sa Crabtree.  "Skogelhjulseffekten är ett exempel på det. Den här uppsatsen ligger vid gränsen för beteende hos fasta elektrolyter, och vi vill överföra denna kunskap till den kommersiella sektorn."