研究人员说，分析和设计新型离子导体的新方法 - 可充电电池的关键组件 - 可以加速高能锂电池的开发，以及可能的其他能量储存和输送设备，如燃料电池。
新方法依赖于理解振动穿过锂离子导体晶格的方式，并将其与抑制离子迁移的方式联系起来。这提供了一种发现具有增强的离子迁移率的新材料的方法，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，这会缩短其使用寿命。这两个特性 - 更好的离子淌度和低反应性 - 往往是相互排斥的。
这个新概念是由WM Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近毕业的John Bachman博士17和研究科学家Livia Giordano以及麻省理工学院橡树岭国家实验室的其他9人领导的团队开发的。 ，以及东京和慕尼黑的机构。他们的研究结果发表在能源与环境科学杂志上。
Shao-Horn说，新的设计原则已有五年左右的时间。最初的想法始于她和她的团队用来理解和控制水分解催化剂的方法，并将其应用于离子传导 - 这个过程不仅是充电电池的核心，也是其他关键技术的核心。燃料电池和海水淡化系统。当带负电荷的电子从电池的一极流向另一极(从而为器件提供电力)时，正离子以另一种方式流过电解质或离子导体，夹在这些极之间，以完成流动。
通常，该电解质是液体。溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中常见的电解质。但这种物质是易燃的，有时会使这些电池着火。正在寻找一种可以替代它的固体材料，这将消除这个问题。
Shao-Horn说，存在各种有希望的固体离子导体，但当与锂离子电池中的正极和负极接触时，没有一种是稳定的。因此，寻找具有高离子传导性和稳定性的新型固体离子导体是至关重要的。但是，通过许多不同的结构族和组合物进行分类以找到最有希望的结构，这是大海捞针问题中的经典针。这就是新设计原则的用武之地。
我们的想法是找到离子电导率与液体相当的材料，但具有固体的长期稳定性。该团队问道：“基本原则是什么?一般结构层面的设计原则是什么，它控制着所需的特性?” Shao-Horn说。研究人员说，理论分析和实验测量的结合现在已经产生了一些答案。
“我们意识到有很多材料可以被发现，但没有理解或共同原则使我们能够使发现过程合理化，”该论文的第一作者Muy说。“我们想出了一个可以包含我们理解并预测哪些材料将是最好的材料的想法。”
关键是要看这些固体材料的晶体结构的晶格特性。这决定了诸如被称为声子的热和声波之类的振动如何通过材料。这种观察结构的新方法最终可以准确预测材料的实际特性。“一旦你知道[给定材料的振动频率]，你可以用它来预测新化学或解释实验结果，”Shao-Horn说。
研究人员观察到使用该模型确定的晶格特性与锂离子导体材料的电导率之间存在良好的相关性。她说：“我们做了一些实验来实验性地支持这个想法”，并发现结果很好。
他们特别发现锂本身的振动频率可以通过调整其晶格结构，使用化学取代或掺杂剂巧妙地改变原子的结构排列来微调。
新概念现在可以提供一种强大的工具，用于开发新的，性能更好的材料，可以显着改善可存储在给定尺寸或重量的电池中的功率，以及提高安全性，研究人员说。他们已经使用这种方法找到了一些有希望的候选人。并且该技术还可以适用于分析用于其他电化学过程的材料，例如固体氧化物燃料电池，基于膜的脱盐系统或产生氧气的反应。
该团队包括麻省理工学院的Hao-Hsun Chang; Oak Ridge的Douglas Abernathy，Dipanshu Bansal和Olivier Delaire; 东京工业大学的Santoshi Hori和Ryoji Kanno; 和慕尼黑宝马集团研究电池技术公司的Filippo Maglia，Saskia Lupart和Peter Lamp。这项工作得到了宝马，国家科学基金会和美国能源部的支持。
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