研究人員表示，分析和設(shè)計(jì)新離子導(dǎo)體的新方法為可充電電池提供了關(guān)鍵部件。新方法的應(yīng)用可能會加速高能鋰電池以及其他能量存儲和傳輸裝置(如燃料電池)的發(fā)展。

該圖揭示了意向電池電解質(zhì)材料Li3PO4的晶格結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，聲波能夠穿過固體材料，通過聲音振動可以揭示離子帶電荷的原子或分子如何通過晶格移動，以及它們?nèi)绾卧陔姵刂袑?shí)際的工作原理。在該圖中，氧原子顯示為紅色，紫色金字塔形狀為磷酸鹽(PO4)分子。橙色和綠色的球體是鋰離子。

新方法依賴于對振動通過鋰離子導(dǎo)體晶格方式的理解。新方法與抑制離子遷移的方式相關(guān)聯(lián)。這提供了一種方法來發(fā)現(xiàn)具有增強(qiáng)離子遷移性的新材料，允許快速充電和放電。同時，該方法還可以降低材料與電池電極的反應(yīng)性，材料與電池電極的反應(yīng)會縮短電池的使用壽命。更好的離子遷移率和低反應(yīng)性這兩個特性——往往是相互排斥的。

這個新概念是由W.M領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。該團(tuán)隊(duì)包括Keck能源教授YangShao-Horn，研究生SokseihaMuy，最近畢業(yè)的年僅17歲的博士JohnBachman，研究科學(xué)家LiviaGiordano以及麻省理工學(xué)院，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室以及東京和慕尼黑的其他9所院校人員。他們的研究結(jié)果在EnergyandEnvironmentalScience雜志上報道。

Shao-Horn說，新的設(shè)計(jì)原則已經(jīng)有五年的時間了。最初的想法始于她和她的團(tuán)隊(duì)用來了解和控制催化水分解，并將其應(yīng)用于離子傳導(dǎo)-這一過程不僅是可充電電池的核心，而且也是其他應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵，如在燃料電池和海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)帶有負(fù)電荷的電子從電池的一極流向另一極(從而為裝置提供電力)時，正離子以另一種方式流過電解質(zhì)或夾在這些極之間，以完成流動。

典型地，電解質(zhì)以液體形式存在時，溶解在有機(jī)液體中的鋰鹽是當(dāng)今鋰離子電池中常見的電解質(zhì)。但該物質(zhì)易燃，有時會導(dǎo)致這些電池著火。通過新方法尋找一個可靠的材料來取代鋰鹽將消除這個問題。

Shao-Horn說，存在多種有前景的固體離子導(dǎo)體，在與鋰離子電池的正極和負(fù)極接觸相比都具有不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。因此，尋找既具有高離子電導(dǎo)率又具有穩(wěn)定性的新的固體離子導(dǎo)體是至關(guān)重要的。但是，通過對許多不同的結(jié)構(gòu)族和成分進(jìn)行分類，找到最有前途的結(jié)構(gòu)無疑是一項(xiàng)大海撈針的工作。這就是新的設(shè)計(jì)原則的用武之地。

我們的想法是尋找離子電導(dǎo)率與液體相當(dāng)?shù)牟牧?，但必須具有固體的長期穩(wěn)定性。Shao-Horn說研究人員被問到“基本原則是什么”，“在一般的結(jié)構(gòu)層次上，是什么設(shè)計(jì)原則來控制所需屬性的”。研究人員回應(yīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法現(xiàn)在已經(jīng)有了一些結(jié)果。

該論文的第一作者M(jìn)uy說：“我們意識到有很多材料可以被發(fā)現(xiàn)，但是沒有理解或者共同的原則讓我們能夠合理化發(fā)現(xiàn)過程。我們想出了一個可以封裝我們的理解并預(yù)測哪些材料將處于最佳狀態(tài)的想法。”

Shao-Horn說，關(guān)鍵是要觀察這些固體材料的晶格性質(zhì)。這決定了諸如熱波和聲子之類的振動是如何通過材料的。這種觀察結(jié)構(gòu)的新方法最終證明能夠準(zhǔn)確地預(yù)測材料的實(shí)際性能。一旦你知道了某物質(zhì)的振動頻率，你就可以用它來預(yù)測新的化學(xué)性質(zhì)或解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究人員觀察到使用該模型確定的晶格特性與鋰離子導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性之間具有良好的相關(guān)性。她說，“我們做了一些實(shí)驗(yàn)來實(shí)驗(yàn)性地支持這個想法”，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常吻合。

他們特別發(fā)現(xiàn)，鋰的振動頻率本身可以通過調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)、使用化學(xué)取代或摻雜劑來微妙地改變原子的結(jié)構(gòu)排列來進(jìn)行微調(diào)。

研究人員表示這個新概念現(xiàn)在可以提供一個強(qiáng)大的工具，用于開發(fā)新的性能更好的材料，從而可以大幅度提高可存儲在給定尺寸或重量的電池中的功率量，并提高安全性。他們已經(jīng)用這個新方法篩選出了一些新的材料。而且這些技術(shù)還可以適用于分析其他電化學(xué)過程的材料，如固體氧化物燃料電池，基于膜的脫鹽系統(tǒng)或產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)。