En ny metod för att analysera och designa nya jonledare – en nyckelkomponent i laddningsbara batterier – skulle kunna påskynda utvecklingen av högenergilitiumbatterier, och möjligen andra energilagrings- och leveransanordningar såsom bränsleceller, säger forskare.

Det nya tillvägagångssättet bygger på att förstå hur vibrationer rör sig genom kristallgittret hos litiumjonledare och korrelera det med hur de hämmar jonmigrering. Detta ger ett sätt att upptäcka nya material med förbättrad jonmobilitet, möjliggör snabb laddning och urladdning. På samma gång, metoden kan användas för att minska materialets reaktivitet med batteriets elektroder, vilket kan förkorta dess livslängd. Dessa två egenskaper - bättre jonrörlighet och låg reaktivitet - har tenderat att utesluta varandra.

Det nya konceptet utvecklades av ett team ledd av W.M. Keck professor i energi Yang Shao-Horn, doktorand Sokseiha Muy, nyutexaminerade John Bachman Ph.D. '17, och forskaren Livia Giordano, tillsammans med nio andra på MIT, Oak Ridge National Laboratory, och institutioner i Tokyo och München. Deras resultat rapporterades i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Den nya designprincipen har varit ungefär fem år på väg, säger Shao-Horn. Det initiala tänkandet började med det tillvägagångssätt som hon och hennes grupp har använt för att förstå och kontrollera katalysatorer för vattenklyvning, och tillämpa det på jonledning – processen som ligger i hjärtat av inte bara laddningsbara batterier, men också andra nyckelteknologier som bränsleceller och avsaltningssystem. Medan elektroner, med sin negativa laddning, strömma från en pol på batteriet till den andra (vilket ger ström till enheter), positiva joner flödar åt andra hållet, genom en elektrolyt, eller jonledare, inklämd mellan dessa stolpar, för att slutföra flödet.

Vanligtvis, att elektrolyten är en vätska. Ett litiumsalt löst i en organisk vätska är en vanlig elektrolyt i dagens litiumjonbatterier. Men det ämnet är brandfarligt och har ibland fått dessa batterier att fatta eld. Sökandet har pågått efter ett fast material för att ersätta det, vilket skulle eliminera problemet.

En mängd lovande fasta jonledare finns, men ingen är stabil när den är i kontakt med både de positiva och negativa elektroderna i litiumjonbatterier, säger Shao-Horn. Därför, Att leta efter nya solida jonledare som har både hög jonledningsförmåga och stabilitet är avgörande. Men att sortera igenom de många olika strukturella familjerna och kompositionerna för att hitta de mest lovande är en klassisk nål i en höstacksproblem. Det är där den nya designprincipen kommer in.

Tanken är att hitta material som har en jonledningsförmåga som är jämförbar med den hos vätskor, men med långtidsstabilitet hos fasta ämnen. Teamet frågade, "Vad är den grundläggande principen? Vilka är designprinciperna på en generell strukturell nivå som styr de önskade egenskaperna?" säger Shao-Horn. En kombination av teoretisk analys och experimentella mätningar har nu gett några svar, säger forskarna.

"Vi insåg att det finns många material som kan upptäckas, men ingen förståelse eller gemensam princip som tillåter oss att rationalisera upptäcktsprocessen, säger Muy, tidningens huvudförfattare. "Vi kom på en idé som kunde kapsla in vår förståelse och förutsäga vilka material som skulle vara bland de bästa."

Nyckeln var att titta på galleregenskaperna hos dessa fasta materials kristallina strukturer. Detta styr hur vibrationer som vågor av värme och ljud, kända som fononer, passera genom material. Detta nya sätt att se på strukturerna visade sig möjliggöra exakta förutsägelser av materialens faktiska egenskaper. "När du vet [vibrationsfrekvensen för ett givet material], du kan använda den för att förutsäga ny kemi eller för att förklara experimentella resultat, " säger Shao-Horn.

Forskarna observerade en god korrelation mellan gitteregenskaperna bestämda med modellen och litiumjonledarmaterialets konduktivitet. "Vi gjorde några experiment för att stödja denna idé experimentellt" och fann att resultaten stämde väl överens, hon säger.

De hittade, särskilt, att själva litiums vibrationsfrekvens kan finjusteras genom att justera dess gitterstruktur, använda kemisk substitution eller dopningsmedel för att subtilt förändra atomernas strukturella arrangemang.

Det nya konceptet kan nu vara ett kraftfullt verktyg för att utveckla nya, bättre presterande material som kan leda till dramatiska förbättringar av mängden ström som kan lagras i ett batteri av en given storlek eller vikt, samt förbättrad säkerhet, säger forskarna. Redan, de använde metoden för att hitta några lovande kandidater. Och teknikerna kan också anpassas för att analysera material för andra elektrokemiska processer som bränsleceller med fast oxid, membranbaserade avsaltningssystem, eller syrealstrande reaktioner.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.