Argonne Research Advessing Colid State Batteries

Исследование, опубликованное в ACS Materials Letters, исследователями в Национальной лаборатории Министерства энергетики США (Министерство энергетики (DOE) изучало твердые электролиты для аккумуляторов из всех солидных государств.Результаты способствуют разработке более безопасных и более энергоэффективных технологий батареи.

Литий-ионные батареи питают ряд устройств, включая сотовые телефоны, ноутбуки и электромобили.Учитывая их широкое использование, исследователи продолжают исследовать способы повышения безопасности и эффективности батареи.

Электролиты действуют как мембраны, которые облегчают перенос литий-ионов между положительными и отрицательными электродами батареи.В отличие от обычных литий-ионных батарей, в которых используются жидкие электролиты, аккумуляторы с солидным государством используют твердые электролиты.Эти материалы предлагают более высокую плотность энергии, более длительный срок службы и улучшенную безопасность, поскольку они не являются ни нестабильными, ни легковоспламеняющимися.

Сплошные электролиты также менее реактивны с литиевым металлом, что делает их более подходящими для электродов литиевых металлов по сравнению с жидкими электролитами.Литийский металл имеет более высокую плотность энергии, чем графит, обычный электродный материал, потому что все его атомы участвуют в циклах заряда и разгрузки.

Гранат циркония литий-лантана (LLZO) представляет собой многообещающий твердый электролит из-за его стабильности, долговечности и высокой ионной проводимости, который обеспечивает эффективную транспортировку литий-ионов между электродами.Исследователи изучили допинг LLZO с такими элементами, как алюминий или галлия, для повышения его проводимости.Допинг включает в себя введение небольших количеств другого элемента для изменения свойств материала.

Допинг алюминиевым или галлием помогает LLZO сохранить свою наиболее симметричную структуру и вводит свободные участки, которые облегчают движение литий-ионного движения, улучшая проводимость.Тем не менее, легирование также может повысить реактивность LLZO с помощью литиевого металла, что может снизить срок службы батареи.

Чтобы понять этот компромисс, исследователи изучили взаимодействие между легированным LLZO и металлическим литием с использованием вычислительных и экспериментальных методов.Они обнаружили, что Gallium более мобильный и легко образует сплав с литием, что приводит к его истощению от LLZO.Это истощение изменяет структуру литиевого граната и снижает его ионную проводимость.Напротив, алюминиевый LLZO остается более стабильным.

LLZO, легированный в галлиях, предлагает более высокую ионную проводимость, чем LLZO, легированный алюминиевым лечением, но его реакционная способность с литием предполагает, что межфазное слой необходим для поддержания проводимости при предотвращении деградации.

Эти результаты дают представление о том, как различные легирующие приставы влияют на производительность и стабильность LLZO, информируя о разработке более надежных твердотельных батарей.

Интегрируя вычислительные и экспериментальные подходы, исследователи измерили ключевые свойства легированных материалов, одновременно получая информацию о взаимодействии между литиевым металлом и твердыми электролитами.

Используя теорию функционала плотности, вычислительный метод моделирования атомного и электронного поведения в материалах, они предсказывали стабильность легирующей приставки и его взаимодействие с другими компонентами.

Немногие экспериментальные методы позволяют прямому изучению сплошного электролитного интерфейса электрода, особенно во время электрохимических реакций в работе батареи.Тепавчевич отметил, что эти интерфейсы «похоронены» и не легко доступны с обычными экспериментальными методами.

Чтобы проанализировать изменения химии поверхности в LLZO, исследователи использовали рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию.Электрохимическая спектроскопия импеданса использовалась для изучения литий-ионной подвижности в электролите и на границе электролита-электрода.

Дифракция нейтронов, еще одна экспериментальная техника, была использована для определения атомных расположений в материале.Этот метод подтвердил, что галлия стал менее стабильным и более реактивным при взаимодействии с литием, тогда как алюминий оставался стабильным.

Исследование получило выгоду от сотрудничества с такими учреждениями, как Калифорнийский университет, Санта-Барбара, которые предоставили высококачественные образцы LLZO.Эксперименты по нейтронной дифракции проводились в Институте ядерной физики Чешской академии наук в Чешской Республике и Zentrum Heinz Maier-Leibnitz в Германии.

Запол добавил: «Роль сотрудничества США и Германа была абсолютно важной для этой работы.Заглядывая в будущее, эти выводы открывают новые возможности в международном стремлении к более безопасным, более эффективным твердотельным батареям ».

Исследование было поддержано сотрудничеством США и Германа по хранению энергии, созданным Управлением энергоэффективности Министерства энергетики Министерства энергетики и возобновляемых источников энергии для Управления технологий транспортных средств для облегчения совместных исследований по литийным батареям.

Среди участников аргона включают Йиси Чжу, Джастин Коннелл, Захари Худ, Майкл Учеб и Мэтью Кленк, вместе с Тепавчевиком и Заполом.Дополнительный вклад был внесен Джефф Сакамото из Калифорнийского университета в Санта -Барбаре;Чарльз Хервоч из Института ядерной физики Чешской академии наук;и Нилима Пол и Ральф Жиль из Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.