Tahked Elektrolüüdid Muudavad Akud Võimsamaks

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Paljude tulevaste tehnoloogiate jaoks on ülitähtsad ülitähtsad ja kauakestvad energiasalvestusseadmed: näiteks elektromobiilsuse, mobiilseadmete (nt tahvelarvutid või nutitelefonid) või taastuvenergia tõhusa kasutamise jaoks. Dr. Daniel Mutter Fraunhoferi materjalide mehaanika instituudist IWM suutis selgitada, kuidas keraamilisest materjalist tahked elektrolüüdid peavad keemiliselt koosnema, et liitium-ioonpatareides hästi töötada. Ta avaldas selle ajakirjas Journal of Applied Physics. Seda tüüpi tahked elektrolüüdid on väidetavalt keskkonnasõbralikumad kui tavalised vedelad elektrolüüdid ja võivad muuta liitium-ioonakud märkimisväärselt võimsamaks ja töökindlamaks

Need kujutavad endast väiksemat plahvatusohtu ja kui need on kahjustatud, näiteks krahhi tagajärjel, ei tohiks hapet pääseda, mis võib inimestel põhjustada põletusi ja mürgitust.

Aku elektrolüüdid peavad vastama kõrgetele nõuetele

Nõuded akuelektrolüütide materjaliomadustele on märkimisväärsed: ioonjuhtivus peaks olema kõrge ning kasutatavad keemilised elemendid peaksid olema nii mittetoksilised kui ka maakoores rikkad.

Atomistilisi simulatsioone kasutades tuvastas dr Emal on NZP keraamika jaoks mitu keemiliste elementide kombinatsiooni, mis on nende nõudmiste jaoks eriti lootustandvad.

Prognooside praktiline testimine

"Teatavatel asjaoludel saame neid eriti soodsaid keraamilisi tahke oleku elektrolüüte ühendada väga võimsate liitiummetallide anoodidega - praegu kasutatavate vedelate elektrolüütide puhul pole see võimalik, kuna need reageerivad tugevalt metallilise liitiumiga ja kahjustavad sellega akut," selgitab Dr. Ema.

Järgmises etapis soovib teadlane koos partneritega testida, kas ennustatud materjalid suurendavad juhtivust oodatust märkimisväärselt. Täpsemalt tähendaks see järgmist: lühemad laadimisajad pikema tööajaga, mis oleks eriti kasulik elektromobiilsuse jaoks.

See kombinatsioon tähendab ka väiksemat kaalu, kuna sama mahutavusega liitiummetallide anoodid on oluliselt kergemad kui varem kasutatud grafiidianoodid.

Keemilised elemendid, mida Dr. Ema-uuringuid räägitakse Euroopas rohkesti maakoorest ja need on suhteliselt kergesti lagundatavad.

Patareid

Teadlased uurivad elektriautode tahkisakusid

Liitiumioonakud

Liitium-ioon akudega on võimalik 30 protsenti rohkem energiat

NZP keraamikal on kõrge ioonjuhtivus

Üldiselt on keraamiliste materjalide ioonjuhtivus madalam kui vedelate elektrolüütide puhul. NZP keraamika klass tõotab aga suurt ioonjuhtivust: nende konstruktsioonistruktuur võimaldab "matkaradade" olemasolu, millel liitiumioonid saavad hõlpsalt liikuda. See teeb neist huvitava kandidaadi liitium-ioon akude kõrgjõudlusega tahkis-elektrolüütide jaoks.

Varem ei olnud aga selge, miks teatud ühendused on teistest võimsamad ja mis toimivad tegelikult eriti hästi.

Mis on NZP keraamika?

NZP keraamika klass on tuntud alates 1960. aastatest ja seda nimetatakse ka Nasiconiks. See sai oma nime keemilisest struktuurist NaZr2 (PO4) 3, millel avastati eriti positiivsed omadused tahkete elektrolüütide tootmisel.

NZP keraamika stabiilsuse võimaldab polühedra iseloomulik „laterna” struktuur, mille moodustavad muude elementide ümber hapnikuaatomid. Selle tulemuseks on liitiumioonide migratsiooniradade kolmemõõtmeline võrk, mis viib keraamika suure ioonjuhtivuse juurde. Keemilised elemendid naatrium, tsirkoonium ja fosfor võivad olla erinevad. Nagu ülaltoodud jooniselt näha, võib naatriumi asendada liitiumiga ja tsirkooniumi titaaniga. Elementide varieeruvus võimaldab arvutis analüüsida paljude elementide kombinatsioonide materjaliomadusi.

NZP keraamika parem mõistmine

Lisaks paljutõotavatele materjalikoostistele on füüsiku teadusuuringute eesmärk aidata kaasa NZP keraamika aatomiprotsesside paremale mõistmisele.

Ta leidis, et liitium-ioonide migratsiooniks vajalik migratsioonienergia sõltub ioonide migratsioonitee ümbritsevast hapniku keskkonnast erinevalt, kui seni arvati. Tuvastatud struktuuri ja omaduste vahelised seosed võimaldavad oluliselt põhjalikumaid ennustusi elementaarpopulatsioonide mõju kohta NZP keraamika struktuurile ja ioonjuhtivusele.

Dr. Ema analüüsid on osa DFG rahastatud uurimisprojektist teemal "Suure liitiumiooni juhtivusega keraamiliste tahkis-elektrolüütide tootmine ja iseloomustamine", mille ta viis läbi koostöös Karlsruhe tehnoloogiainstituudiga (KIT) ja TLÜ Müncheniga.