Създаване на разстройство за идеална батерия: Разстроена, но силно симетрична структура

ТЕМИ:
Технология на батерията, молекулярна физика, Университет в Женева
От УНИВЕРСИТЕТ В ЖЕНЕВА НА 12 ОКТОМВРИ 2020 г.

Триизмерна повърхност на дифузия на натриеви йони в кристал на хидроборат. Този нов материал образува объркана, но силно симетрична структура, позволяваща подвижност на натрий, сравнима с тази на лития в търговските батерии. Кредит: © UNIGE/Brighi

Производството на по -безопасни, по -мощни батерии, които използват геополитически стабилни ресурси, изисква твърди електролити и замяна на литий с натрий. Химическо решение сега се предлага на разработчиците на батерии.

Литиевите батерии, които захранват нашите електронни устройства и електрически превозни средства, имат редица недостатъци. Електролитът - средата, която позволява на електроните и положителните заряди да се движат между електродите - е запалима течност. Нещо повече, литийът, от който са направени, е ограничен ресурс, който е в центъра на основните геополитически въпроси.

Специалистите по кристалография в Женевския университет (UNIGE) са разработили незапалим, твърд електролит, който работи при стайна температура. Той транспортира натрий - който се среща навсякъде по земята - вместо литий. Това е печеливша комбинация, която също означава, че е възможно да се произвеждат по -мощни батерии.

Свойствата на тези „идеални“ батерии ще се основават на кристалната структура на електролита, хидроборат, състоящ се от бор и водород. Изследователският екип на UNIGE публикува истински набор от инструменти в списанието Cell Reports Physical Science, съдържащ стратегията за производство на твърди електролити, предназначена за разработчиците на батерии.

Предизвикателството за съхранение на енергия е колосално за инициативите за устойчивост. Всъщност развитието на електрически превозни средства, които не отделят парникови газове, зависи от съществуването на мощни, безопасни батерии, точно както развитието на възобновяема енергия - „слънчева и вятърна“ - зависи от капацитета за съхранение на енергия. Литиевите батерии са настоящият отговор на тези предизвикателства. За съжаление, литият изисква течни електролити, които са силно експлозивни в случай на теч. „Нещо повече, литийът не се среща навсякъде по земята и създава геополитически проблеми, подобни на тези около петрола. Натрият е добър кандидат за заместването му, тъй като има химически и физични свойства, близки до литиевите и се среща навсякъде “, твърди Фабрицио Мурджа, докторант в Факултета по науки на UNIGE.

Твърде висока температура

Двата елемента - натрий и литий - са близо един до друг в Периодичната таблица. „Проблемът е, че натрият е по -тежък от братовчед си литий. Това означава, че му е трудно да се ориентира в електролита на батерията “, добавя Матео Бриги, докторант в UNIGE и първият автор на изследването. Съответно, има нужда от разработване на електролити, способни да транспортират катиони като натрий. През 2013 и 2014 г. японски и американски изследователски групи идентифицираха хидроборадите като добри натриеви проводници при над 120 ° C. На пръв поглед това е прекомерна температура за ежедневна употреба на батерии ... но божи дар за лабораторията в Женева!
С десетилетия опит в хидроборатите, използвани в приложения като съхранение на водород, кристалографите в Женева се заеха да работят за понижаване на температурата на проводимост. „Получихме много добри резултати с отлични свойства, съвместими с батериите. Успяхме да използваме хидроборати като електролит от стайна температура до 250 градуса по Целзий без проблеми с безопасността. Нещо повече, те издържат на по -големи потенциални разлики, което означава, че батериите могат да съхраняват повече енергия “, продължава Радован Черни, професор в лабораторията по кристалография на UNIGE и ръководител на проекта.

Решението: разстройство

Кристалографията - наука, разположена между минералогията, физиката и химията - се използва за анализ и разбиране на структурите на химичните вещества и прогнозиране на техните свойства. Благодарение на кристалографията е възможно да се проектират материали. Именно този кристалографски подход беше използван за прилагане на производствените стратегии, публикувани от триото изследователи от Женева. „Нашата статия предлага примери за структури, които могат да се използват за създаване и разрушаване на хидроборатите“, казва Мургия. Структурата на хидроборатите позволява да се появят сфери с бор и отрицателно зареден водород. Тези сферични пространства оставят достатъчно място за преминаване на положително заредени натриеви йони. „Въпреки това, тъй като отрицателните и положителните заряди се привличат, ние трябваше да създадем разстройство в структурата, за да нарушим хидроборатите и да позволим на натрия да се движи“, продължава Бриги.

Справка: „Натриеви соли Closo-Hydroborate като нововъзникващ клас твърди електролити при стайна температура“ от Matteo Brighi, Fabrizio Murgia и Radovan ÄŒerný, 7 октомври 2020 г., Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

Статията е инструментариум, предназначен за разработчици на батерии. Това трябва да даде началото на ново поколение батерии, които са по -стабилни и по -мощни. Швейцария е дом на истински опит, благодарение на тясното сътрудничество между UNIGE и EMPA в Дюбендорф. Двете институции в момента работят по създаването на солидна, 4V натриева батерия, която ще бъде по -мощна от 3V, пусната през 2019 г. Автентичен продукт Made in Switzerland!