Нов пробив в материала за стабилни високо напрежение дълготрайни твърдотелни батерии

ТЕМИ:
Батерийни технологии, енергия, материалознание, нанотехнологии, популярни, UCSD, батерии
От УНИВЕРСИТЕТ В КАЛИФОРНИЯ - САН ДИЕГО 23 ФЕВРУАРИ 2021 г.

Екип от изследователи проектира и произвежда нов натриево-йонни проводници за твърди натриеви йонни батерии, който е стабилен, когато е включен в оксидни катоди с по-високо напрежение. Този нов твърд електролит може драстично да подобри ефективността и живота на този клас батерии. Доказателство за концептуална батерия, изградена с новия материал, продължи над 1000 цикъла, като запази 89,3% от капацитета си-производителност, несравнима с други твърдотелни натриеви батерии досега.

Изследователите подробно описват своите открития в изданието на Nature Communications от 23 февруари 2021 г.

Твърдотелните батерии обещават по -безопасни, по -евтини и по -дълготрайни батерии. Химиите на натриево-йонни продукти са особено обещаващи, тъй като натрият е евтин и изобилен, за разлика от лития, необходим за литиево-йонните батерии, който се добива с високи екологични разходи. Целта е да се създадат батерии, които могат да се използват в мащабни приложения за съхранение на енергия в мрежата, особено за съхранение на енергия, генерирана от възобновяеми енергийни източници, за да се смекчи пиковото търсене.

„Промишлеността иска батериите на клетъчно ниво да струват 30 до 50 долара за кВтч,“ около една трета до една пета от това, което струва днес, каза Шърли Менг, професор по наноинженеринг в Калифорнийския университет в Сан Диего , и един от съответните автори на статията. „Няма да спрем, докато не стигнем там.“

Устройството ZrCl6 е показано тук въртящо се, създавайки свободни места, което увеличава проводимостта. Кредит: Калифорнийски университет.

Работата е съвместна работа между изследователи от UC San Diego и UC Santa Barbara, Университета Stony Brook, Центъра за научни изследвания и образование в TCG в Калкута, Индия, и Shell International Exploration, Inc.

За батерията, описана в изследването Nature Communications, изследователи, ръководени от професор по наноинженерство в Сан Диего, Shyue Ping Ong, проведоха поредица от изчислителни симулации, задвижвани от модел за машинно обучение, за да проверят коя химия би имала правилната комбинация от свойства за твърдодна батерия с оксиден катод. След като материалът е избран като добър кандидат, изследователската група на Meng експериментално го изработва, тества и характеризира, за да определи неговите електрохимични свойства.

Чрез бърза итерация между изчисления и експеримент, екипът на UC SanDiego се спря на клас халогенни натриеви проводници, съставени от натрий, итрий, цирконий и хлорид. Материалът, който те нарекоха NYZC, беше едновременно електрохимично стабилен и химически съвместим с оксидните катоди, използвани в натриево-йонни батерии с по-високо напрежение. След това екипът се обърна към изследователите от UC Santa Barbara, за да проучи и разбере структурните свойства и поведението на този нов материал.

Следващите стъпки включват проучване на други заместители на тези халогенидни материали и увеличаване на общата плътност на батерията, заедно с работа за разширяване на производствения процес.

Справка: „Стабилен катодно-твърд електролитен композит за твърдотелни натриево-йонни батерии с високо напрежение с дълъг цикъл на живот“ от Erik A. Wu, Swastika Banerjee, Hanmei Tang, Peter M. Richardson, Jean- Мари Дукс, Джи Ци, Джуойинг Джу, Антонин Грение, Иксуан Ли, Енюе Джао, Грейсън Дейшер, Елиас Себти, Хан Нгуен, Райън Стивънс, Гай Вербист, Карена У. Чапман, Рафаел Дж. Климент, Абик Банерджи, Инг Шинг и Ин Shyue Ping Ong, 23 февруари 2021 г., Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-21488-7

Технологията е лицензирана от UNIGRID, стартиращо предприятие, съосновател на професора по наноинженерство в UC San Diego Zheng Chen; Ерик Ву, д -р възпитаник от изследователската група на Meng; и Дарън Х. С. Тан, един от докторите на Meng. студенти. Мън е техническият съветник на компанията.

Финансирането в подкрепа на тази работа беше осигурено от Института по енергетика и биологични науки чрез програмата EBI-Shell и NSF.