Electroliții Solizi Fac Bateriile Mai Puternice

Pentru multe tehnologii viitoare, dispozitivele de stocare a energiei de înaltă performanță sunt de o importanță centrală: De exemplu, pentru electromobilitate, pentru dispozitive mobile, cum ar fi tablete sau smartphone-uri sau pentru utilizarea eficientă a energiilor regenerabile. Dr. Daniel Mutter de la Institutul Fraunhofer pentru Mecanică a Materialelor IWM a fost în măsură să clarifice modul în care electroliții solizi din ceramică trebuie compuși chimic pentru a funcționa bine în bateriile cu litiu-ion. A publicat acest lucru în Journal of Applied Physics. Se spune că electroliții solizi de acest fel sunt mai ecologici decât electroliții lichizi convenționali și ar putea face ca bateriile cu ioni de litiu să fie semnificativ mai eficiente și mai fiabile

Acestea prezintă un risc mai mic de explozie și, dacă sunt deteriorate, de exemplu, în urma unui accident, nu trebuie scăpat de acid, ceea ce poate provoca arsuri și otrăvire la om.

Electroliții bateriei trebuie să îndeplinească cerințele ridicate

Cerințele pentru proprietățile materiale ale electroliților bateriei sunt considerabile: conductivitatea ionică trebuie să fie ridicată, iar elementele chimice utilizate trebuie să fie non-toxice și bogate în scoarța terestră.

Folosind simulări atomiste, a identificat Dr. Mama are acum mai multe combinații de elemente chimice pentru ceramica NZP, care sunt deosebit de promițătoare pentru aceste cerințe.

Practic testează predicțiile

"În anumite circumstanțe, putem combina aceste solide ceramice deosebit de avantajoase - electroliți cu stare de stat cu anodi de litiu metalici foarte puternici - acest lucru nu este posibil cu electroliții lichizi folosiți frecvent astăzi, deoarece reacționează puternic cu litiu metalic și, prin urmare, deteriorează bateria", explică Dr.. Mamă.

În următoarea etapă, cercetătorul dorește să testeze cu partenerii dacă materialele preconizate cresc semnificativ conductivitatea așa cum era de așteptat. Mai exact, asta ar însemna: timpi mai mici de încărcare cu timpi de funcționare mai lungi, ceea ce ar fi deosebit de avantajos pentru electromobilitate.

În plus, această combinație înseamnă o greutate mai mică, deoarece anodii de litiu din metal cu aceeași capacitate sunt semnificativ mai ușori decât anodii de grafit folosiți anterior.

Elementele chimice pe care Dr. Se spune că cercetările asupra mamei sunt abundente în scoarța terestră din Europa și sunt relativ ușor degradabile.

Baterii

Oamenii de știință cercetează bateriile în stare solidă pentru mașinile electrice

Baterii cu ioni de litiu

30% mai multă putere cu baterii cu litiu-ion

Ceramica NZP are o conductivitate ionică ridicată

În general, conductivitatea ionică a materialelor ceramice este mai mică decât cea a electroliților lichizi. Clasa așa-numitelor ceramice NZP, însă, promite o conductivitate ionică ridicată: structura lor structurală permite existența unor „trasee de drumeție” pe care ionii de litiu se pot deplasa cu ușurință. Acest lucru le face un candidat interesant pentru electroliți de înaltă performanță pentru baterii cu ioni de litiu.

Cu toate acestea, nu a fost încă clar de ce anumite conexiuni sunt mai puternice decât altele și care de fapt au o performanță deosebit de bună.

Ce sunt ceramicii NZP?

Clasa de ceramică NZP este cunoscută încă din anii ’60 și se mai numește Nasicon. Și-a luat numele de la structura chimică NaZr2 (PO4) 3, pentru care au fost descoperite proprietăți deosebit de pozitive pentru producerea electroliților solizi.

Stabilitatea ceramicii NZP este posibilă printr-o structură „lanternă” caracteristică a poliedrului format din atomii de oxigen din jurul celorlalte elemente. Rezultă o rețea tridimensională de căi de migrare pentru ionii de litiu, ceea ce duce la o conductivitate ionică ridicată a ceramicii. Elementele chimice de sodiu, zirconiu și fosfor pot fi variate. După cum se poate observa în graficul de mai sus, sodiul poate fi înlocuit cu litiu și zirconiu cu titan. Variabilitatea elementelor face posibilă analiza proprietăților materialului pentru un număr mare de combinații elementare folosind un computer.

O mai bună înțelegere a ceramicii NZP

În plus față de a prezice compoziții materiale promițătoare, cercetarea fizicianului își propune să contribuie la o mai bună înțelegere a proceselor atomice din ceramica NZP.

El a descoperit că energia de migrare necesară pentru migrația litiu-ion depinde într-un mod diferit de mediul de oxigen din jurul căii de migrare a ionilor decât se credea anterior. Relațiile structură-proprietate identificate permit predicții semnificativ mai bine fundamentate despre efectele populațiilor elementare asupra cadrului structural și conductivitatea ionică a ceramicii NZP.

Dr. Analizele mamei fac parte dintr-un proiect de cercetare finanțat de DFG pe tema „Producția și caracterizarea electroliților ceramici în stare solidă cu conductivitate ridicată a ionilor de litiu”, pe care a realizat-o în cooperare cu Institutul de Tehnologie Karlsruhe (KIT) și TU Munchen.