Argonne Research edistää kiinteän valtion paristoja

Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoiden ACS Materials Letters -lehden julkaisema tutkimus tutkittiin kiinteiden valtion paristojen kiinteitä elektrolyyttejä.Tulokset edistävät turvallisemman ja energiatehokkaamman akkutekniikan kehittämistä.

Litium-ion-akut virtaavat valikoimaa laitteita, mukaan lukien matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet ja sähköajoneuvot.Niiden laajalle levinneiden käytön vuoksi tutkijat jatkavat tapoja parantaa akun turvallisuutta ja tehokkuutta.

Elektrolyytit toimivat kalvoina, jotka helpottavat litium-ionin kuljetusta akun positiivisen ja negatiivisen elektrodin välillä.Toisin kuin tavanomaiset litium-ioni-akut, joissa käytetään nestemäisiä elektrolyyttejä, koko kiinteän tilan paristot käyttävät kiinteitä elektrolyyttejä.Nämä materiaalit tarjoavat korkeamman energian tiheyden, pidemmän elinajan ja parannettua turvallisuutta, koska ne eivät ole haihtuvia eikä syttyviä.

Kiinteät elektrolyytit ovat myös vähemmän reaktiivisia litiummetallien kanssa, mikä tekee niistä sopivimmaksi litiummetallielektrodeille verrattuna nestemäisiin elektrolyytteihin.Litiummetallilla on korkeampi energiatiheys kuin grafiitissa, tavanomaisella elektrodimateriaalilla, koska kaikki sen atomit osallistuvat varaus- ja purkausjaksoihin.

Litium lantanum zirkoniumgranaatti (LLZO) on lupaava kiinteä elektrolyytti sen stabiilisuuden, kestävyyden ja korkean ionisen johtavuuden vuoksi, mikä mahdollistaa elektrodien välisen tehokkaan litium-ioni-kuljetuksen.Tutkijat ovat tutkineet Doping LLZO: ta elementtien, kuten alumiinin tai galliumin, kanssa sen johtavuuden parantamiseksi.Dopingiin sisältyy pienten määrien toisen elementin käyttöönotto materiaalin ominaisuuksien modifioimiseksi.

Doping alumiinilla tai galliumilla auttaa LLZO: ta säilyttämään symmetrisimmän rakenteensa ja tuo esiin avoimia kohtia, jotka helpottavat litium-ionin liikettä, parantaen johtavuutta.Doping voi kuitenkin lisätä myös LLZO: n reaktiivisuutta litiummetallin kanssa, mikä voi vähentää akun syklin käyttöikää.

Tämän kompromissin ymmärtämiseksi tutkijat tutkivat seostettujen LLZO: n ja metallisen litiumin vuorovaikutusta laskennallisten ja kokeellisten menetelmien avulla.He havaitsivat, että gallium on liikkuvampi ja muodostaa helposti seoksen litiumilla, mikä johtaa sen ehtymiseen LLZO: sta.Tämä ehtyminen muuttaa litiumgranaatin rakennetta ja vähentää sen ionista johtavuutta.Sitä vastoin alumiini-seostettu LLZO on edelleen vakaampi.

Gallium-seostettu LLZO tarjoaa korkeamman ionisen johtavuuden kuin alumiinisovitteinen LLZO, mutta sen reaktiivisuus litiumin kanssa viittaa siihen, että rajapintakerros on välttämätöntä johtavuuden ylläpitämiseksi estäen samalla hajoamista.

Nämä havainnot tarjoavat käsityksen siitä, kuinka erilaiset lisäaineet vaikuttavat LLZO: n suorituskykyyn ja vakauteen, ilmoittaen luotettavampien puolijohteiden paristojen kehittämiselle.

Integroimalla laskennalliset ja kokeelliset lähestymistavat tutkijat mittasivat seostettujen materiaalien avainominaisuuksia ja saavat samalla atomitason näkemyksiä litiummetallin ja kiinteiden elektrolyyttien välisistä vuorovaikutuksista.

Tiheyden funktionaalisen teorian, laskennallisen menetelmän atomien ja elektronisen käyttäytymisen mallintamiseen materiaaleissa, he ennustivat lisäaineiden stabiilisuutta ja sen vuorovaikutusta muiden komponenttien kanssa.

Harvat kokeelliset tekniikat mahdollistavat kiinteän elektrolyyttielektrodirajapinnan suoran tutkimuksen, etenkin akun käytön sähkökemiallisten reaktioiden aikana.Tepavcevic totesi, että nämä rajapinnat ovat haudattuja eikä niitä ole helposti saatavilla tavanomaisilla kokeellisilla menetelmillä.

Pintakemian muutosten analysoimiseksi LLZO: ssa tutkijat käyttivät röntgenvaloelektronispektroskopiaa.Sähkökemiallista impedanssispektroskopiaa käytettiin litium-ionien liikkuvuuden tutkimiseen elektrolyytissä ja elektrolyyttielektrodirajapinnassa.

Neutronidiffraktiota, toista kokeellista tekniikkaa, käytettiin materiaalin atomijärjestelmien määrittämiseen.Tämä menetelmä vahvisti, että galliumista tuli vähemmän vakaata ja reaktiivisempaa litiumin kanssa vuorovaikutuksessa, kun taas alumiini pysyi vakaana.

Tutkimus hyötyi yhteistyöstä instituutioiden, kuten Kalifornian yliopiston, Santa Barbaran, kanssa, jotka tarjosivat korkealaatuisia LLZO-näytteitä.Tšekin Tšekin tiedeakatemian ydinfysiikan instituutissa tehtiin neutronidiffraktiokokeita Tšekin tasavallan ja Heinz Maier-Leibnitz Zentrumin Saksassa.

Zapol lisäsi: ”Yhdysvaltain saksalaisen yhteistyön rooli oli ehdottoman kriittinen tässä työssä.Tulevaisuuteen nämä havainnot avautuvat uusia keinoja turvallisempien, tehokkaampien kiinteiden tilan paristojen kansainvälisessä harjoittamisessa. "

Tutkimusta tuki Yhdysvaltain ja Saksan energian varastointiyhteistyö, jonka DOE: n energiatehokkuuden ja uusiutuvan energian toimisto on perustanut ajoneuvoteknologiatoimistolle litiumparistojen yhteistyötutkimuksen helpottamiseksi.

Argonnen avustajia ovat Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan ja Matthew Klenk yhdessä Tepavcevicin ja Zapolin kanssa.Jeff Sakamoto teki lisäosuuksia Kalifornian yliopistosta, Santa Barbara;Charles Hervoches Tšekin tiedeakatemian ydinfysiikan instituutista;ja Neelima Paul ja Ralph Gilles Heinz Maier-Leibnitz Zentrumista.