新方法为下一代锂电池更好的电解质

图说明了所谓的电池电解质材料的晶格，称为Li3PO4。研究人员发现，测量声音通过晶格的振动如何揭示离子 - 电荷的原子或分子如何 - 可以通过固体材料行进，因此它们将如何在真正的电池中工作。在该图中，氧原子以红色示出，紫色金字塔状形状是磷酸盐（PO4）分子。橙色和绿色球体是锂的离子。图像：Sokseiha Muy

研究人员说，一种新的离子导线分析和设计新的离子导线的关键组件 - 可以加速高能量锂电池的开发，以及可能的其他能量存储和销售装置，如燃料电池，如燃料电池。

新方法依赖于理解振动通过锂离子导体的晶格的方式移动，并将其抑制离子迁移的方式相关。这提供了一种方法来发现具有增强的离子移动性的新材料，允许快速充电和放电。同时，该方法可用于降低材料与电池电极的反应性，这可以缩短其使用寿命。这两个特征 - 更好的离子迁移率和低反应性 - 往往是相互排斥的。

新概念是由下午时间领先的团队开发的。凯克能源教授杨少号，研究生Sokseiha Muy，最近毕业生John Bachman Phd'17，以及研究科学家Livia Giordano，以及MIT，Oak Ridge国家实验室和东京和慕尼黑的机构。他们的调查结果据报道，在期刊能源和环境科学中。

新的设计原则在制作中已经大约五年了，邵霍恩说。初步思考始于她和她的团体已经习惯了解和控制水分裂催化剂，并将其施加到离子传导 - 这一过程不仅是可充电电池的心脏，而且还有燃料等其他关键技术细胞和脱盐系统。虽然电子具有负电荷，但是从电池的一个杆流到另一个（因此为器件提供电力），正离子通过电解质或离子导体流动，通过电解质或离子导体夹在那些杆之间，以完成流动。

通常，电解质是液体。溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中的常见电解质。但这种物质是易燃的，有时会导致这些电池着火。搜索已成为替换它的固体材料，这将消除该问题。

邵喇叭表示，存在各种承诺的固体离子导体，但无锂离子电池中的正极电极和负极稳定。因此，寻找具有高离子电导率和稳定性的新的固体离子导体至关重要。但是，通过许多不同的结构家庭和组合物来排序，以找到最有希望的是大海捞针问题的经典针。这就是新设计原则进来的地方。

该想法是找到具有与液体相当的离子传导性的材料，但具有固体的长期稳定性。团队问道，“基本原则是什么？关于一般结构水平的设计原则是什么，管理所需的属性？“邵恩说。研究人员表示，理论分析和实验测量的组合现已产生一些答案。

“我们意识到有很多可以被发现的材料，但没有理解或常见的原则，使我们能够合理化发现过程，”纸张的主要作者Muy说。“我们想出了一个可以封装我们的理解和预测哪些材料中最好的想法。”

关键是看这些固体材料的晶格结构的晶格性能。这管理了如何如何振动，例如热量和声音，称为声子，通过材料。这种观察结构的新方法，允许准确地预测材料的实际属性。“一旦你知道[给定材料的振动频率]，你可以用它来预测新的化学或解释实验结果，”邵霍恩说。

研究人员观察了使用模型和锂离子导体材料的导电性测定的晶格性能之间的良好相关性。她说：“我们做了一些实验来支持这个想法”并发现结果匹配良好。

特别地，它们发现锂本身的振动频率可以通过调整其晶格结构来微调，使用化学取代或掺杂剂来巧妙地改变原子的结构排列。

现在，新概念现在可以提供一种强大的工具，用于开发新的更好性能的材料，可能导致可以存储在给定尺寸或重量的电池中的功率量的剧烈改进，以及改善的研究人员说。已经，他们使用该方法寻找一些有希望的候选人。并且还可以适用于分析用于其他电化学方法的材料，例如固体氧化物燃料电池，基于膜基脱盐系统或氧产生反应。

该团队包括麻省理工学院的浩湖昌; Douglas Abernathy，Dipanshu Bansal和Olivier Deliere在橡树岭;东京理工学院的Santoshi Hori和Ryoji Kanno;和Filippo Maglia，Saskia Lupart和彼得灯在慕尼黑BMW集团的研究电池技术。该工作得到了BMW，国家科学基金会和美国能源部的支持。

出版物：Sokseiha Muy等，等，“基于晶格动力学的锂离子导体的调谐和稳定性”，“能源环境”。SCI。，2018，DOI：10.1039 / C7EE03364H