En nyupptäckt struktur av ett natriumbaserat material gör att materialen kan användas som en elektrolyt i fasta batterier, enligt forskare från Penn State och Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Teamet finjusterar materialet med hjälp av en iterativ designmetod som de hoppas kommer att raka av år från forskning till daglig användning.

Elektrolyten, en av tre huvuddelar i ett batteri, ansvarar för överföring av laddade joner i ett halvledarbatteri. Detta skapar en elektrisk ström när de andra två delarna av batteriet, anoden och katoden, är anslutna i en krets.

De flesta uppladdningsbara batterier i smarttelefoner, datorer och annan konsumentelektronik använder en vätska, litiumbaserad elektrolyt.

"Flytande elektrolyter har säkerhetsproblem eftersom de är brandfarliga, "sa Donghai Wang, docent i maskinteknik, Penn State. "Det har varit drivkraften för oss att hitta ett bra material för användning i halvledarbatterier."

Teamets nya material består av natrium, fosfor, tenn och svavel och har en tetragonal kristallform. Det har defekter, eller utrymmen där viss natrium, tenn- och svavelatomer skulle vara, och dessa gör det möjligt att överföra joner.

Eftersom natrium är mycket rikligare än litium, ett natriumjonbatteri skulle potentiellt vara mycket billigare att producera än ett litiumjonbatteri. Materialet skulle också vara säkrare att använda.

"Vårt material har ett brett spänningsfönster samt hög termisk stabilitet, "sa Zhaoxin Yu, postdoktor i maskin- och kärnteknik, Penn State. "När du värmer flytande elektrolyter upp till 150 grader Celsius (302 grader Fahrenheit), de tar eld eller släpper ut mycket värme som kan skada andra batterier eller elektroniska komponenter. Vårt material fungerar bra upp till 400 grader Celsius (752 grader Fahrenheit). "

Teamet rapporterade i Nano Energy att deras material har jonisk konduktivitet vid rumstemperatur ungefär en tiondel av det för flytande elektrolyter som används i dagens batterier. Den viktiga upptäckten, de sa, är den specifika konfigurationen av defekter inom kristallstrukturen.

"Vår upptäckt av denna nya struktur av detta material visar oss också att det finns en väg för att skapa en ny familj av avancerade natriumjon superioniska ledare, "sa Shun-Li Shang, forskningsprofessor i materialvetenskap och teknik, Penn State.

Teamet skapade och testade detta nya batteri i Wangs laboratorium, som är en del av Penn State's Battery and Energy Storage Technology Center. Med hjälp av deras gemensamma designprocess, laget har kunnat identifiera hur olika kristallformationer, liksom inkonsekvenser i materialet, har påverkat dess prestanda.

"Om du inte har den här uppsättningen verktyg, det skulle vara svårt att få ett genombrott, "sade Zi-Kui Liu, framstående professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Vår metod som använder både beräkning och experiment gör att vi kan analysera anledningen till att material fungerar annorlunda. Det kommer att göra saker snabbare för nästa omgång av design eftersom vi vet vad vi behöver kontrollera för att förbättra jontransporten."

En del av lagets modellering ägde rum på superdatorer som värd Penn State Institute for CyberScience.