HemNyheterArgonne Research Advances Solid-State Batteries

Argonne Research Advances Solid-State Batteries



En studie publicerad i ACS-materialbrev av forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory undersökte fasta elektrolyter för all-furudstatliga batterier.Resultaten bidrar till utvecklingen av säkrare och mer energieffektiva batteritekniker.

Litiumjonbatterier driver en rad enheter, inklusive mobiltelefoner, bärbara datorer och elektriska fordon.Med tanke på deras utbredda användning fortsätter forskare att utforska sätt att förbättra batterisäkerheten och effektiviteten.

Elektrolyter fungerar som membran som underlättar litiumjontransport mellan batteriets positiva och negativa elektroder.Till skillnad från konventionella litiumjonbatterier, som använder flytande elektrolyter, använder all-solid-tillståndsbatterier fasta elektrolyter.Dessa material erbjuder högre energitäthet, längre livslängd och förbättrad säkerhet, eftersom de varken är flyktiga eller brandfarliga.

Fasta elektrolyter är också mindre reaktiva med litiummetall, vilket gör dem mer lämpliga för litiummetallelektroder jämfört med flytande elektrolyter.Litiummetall har en högre energitäthet än grafit, ett konventionellt elektrodmaterial, eftersom alla dess atomer deltar i laddnings- och urladdningscykler.

Litium lanthanum zirkoniumgranat (LLZO) är en lovande fast elektrolyt på grund av dess stabilitet, hållbarhet och hög jonkonduktivitet, vilket möjliggör effektiv litiumjontransport mellan elektroder.Forskare har utforskat doping LLZO med element som aluminium eller gallium för att förbättra dess konduktivitet.Doping innebär att de introducerar små mängder av ett annat element för att modifiera materialets egenskaper.

Doping med aluminium eller gallium hjälper LLZO att behålla sin mest symmetriska struktur och introducerar lediga platser som underlättar litiumjonrörelse, vilket förbättrar konduktiviteten.Doping kan emellertid också öka LLZO: s reaktivitet med litiummetall, vilket kan minska livslängden för batterifatt.

För att förstå denna avvägning undersökte forskare interaktionen mellan dopade LLZO och metalliska litium med hjälp av beräknings- och experimentella metoder.De fann att gallium är mer mobil och bildar lätt en legering med litium, vilket leder till dess utarmning från LLZO.Denna utarmning förändrar litiumgranens struktur och minskar dess joniska konduktivitet.Däremot förblir aluminiumdopad llzo mer stabil.

Gallium-dopad LLZO erbjuder högre jonkonduktivitet än aluminiumdopad llzo, men dess reaktivitet med litium antyder att ett gränsyteskikt är nödvändigt för att upprätthålla konduktivitet samtidigt som nedbrytning av nedbrytning.

Dessa fynd ger insikt i hur olika dopanter påverkar LLZO: s prestanda och stabilitet och informerar utvecklingen av mer pålitliga batterier med fast tillstånd.

Genom att integrera beräknings- och experimentella tillvägagångssätt mätte forskare viktiga egenskaper hos dopade material medan de fick insikt på atomnivå i interaktioner mellan litiummetall och fasta elektrolyter.

Med hjälp av densitetsfunktionella teorin, en beräkningsmetod för modellering av atomiskt och elektroniskt beteende i material, förutspådde de dopande stabilitet och dess interaktion med andra komponenter.

Få experimentella tekniker möjliggör direkt undersökning av det fasta elektrolytelektrodgränssnittet, särskilt under elektrokemiska reaktioner vid batteridrift.Tepavcevic noterade att dessa gränssnitt är "begravda" och inte lätt tillgängliga med konventionella experimentella metoder.

För att analysera ytkemiförändringar i LLZO använde forskarna röntgenfotoelektronspektroskopi.Elektrokemisk impedansspektroskopi användes för att studera litiumjon-rörlighet i elektrolyten och vid elektrolytelektrodgränssnittet.

Neutrondiffraktion, en annan experimentell teknik, användes för att bestämma atomarrangemang i materialet.Denna metod bekräftade att gallium blev mindre stabil och mer reaktiv när man interagerade med litium, medan aluminium förblev stabil.

Studien gynnades av samarbeten med institutioner som University of California, Santa Barbara, som gav högkvalitativa LLZO-prover.Neutron-diffraktionsexperiment genomfördes vid Nuclear Physics Institute vid Tjeckien Academy of Sciences i Tjeckien och Heinz Maier-Leibnitz Zentrum i Tyskland.

Zapol tillade, ”Rollen för det amerikanska samarbetet var absolut kritisk för detta arbete.Med tanke på framåt öppnar dessa fynd nya vägar i den internationella strävan efter säkrare och effektivare batterier med fast tillstånd. ”

Studien stöds av USA: s-tyska samarbete om energilagring, upprättat av DOE: s kontor för energieffektivitet och förnybar energi för fordonsteknologikontoret för att underlätta samarbetsforskning om litiumbatterier.

Argonne -bidragsgivare inkluderar Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan och Matthew Klenk, tillsammans med Tepavcevic och Zapol.Ytterligare bidrag gjordes av Jeff Sakamoto från University of California, Santa Barbara;Charles Hervoches från Nuclear Physics Institute of the Czech Academy of Sciences;och Neelima Paul och Ralph Gilles från Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.