新的設計原則為鋰離子電池提供更優質的電解質

研究人員表示，分析和設計新離子導體的新方法為可充電電池提供了關鍵部件。新方法的應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）的發展。

該圖揭示了意向電池電解質材料Li 3 PO 4的晶格結構。 研究人員發現，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 ，以及它們如何在電池中實際的工作原理。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的離子。

新方法依賴於對振動通過鋰離子導體晶格方式的理解。新方法與抑制離子遷移的方式相關聯。這提供了一種方法來發現具有增強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性，材料與電池電極的反應會縮短電池的使用壽命。更好的離子遷移率和低反應性這兩個特性——往往是相互排斥的。

這個新概念是由W.M領導的一個團隊開發的。該團隊包括Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近畢業的年僅17歲的博士John Bachman，研究科學家Livia Giordano以及麻省理工學院，橡樹嶺國家實驗室以及東京和慕尼黑的其他9所院校人員。他們的研究結果在 Energy and Environmental Science雜誌上報道。

Shao-Horn說，新的設計原則已經有五年的時間了。最初的想法始於她和她的團隊用來了解和控制催化水分解，並將其應用於離子傳導 - 這一過程不僅是可充電電池的核心，而且也是其他應用的技術關鍵，如在燃料電池和海水淡化系統中的應用。當帶有負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或夾在這些極之間，以完成流動。

典型地，電解質以液體形式存在時，溶解在有機液體中的鋰鹽是當今鋰離子電池中常見的電解質。但該物質易燃，有時會導致這些電池著火。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體，在與鋰離子電池的正極和負極接觸相比都具有不穩定性的特點。因此，尋找既具有高離子電導率又具有穩定性的新的固體離子導體是至關重要的。但是，通過對許多不同的結構族和成分進行分類，找到最有前途的結構無疑是一項大海撈針的工作。這就是新的設計原則的用武之地。

我們的想法是尋找離子電導率與液體相當的材料，但必須具有固體的長期穩定性。Shao-Horn說研究人員被問到「基本原則是什麼」，「在一般的結構層次上，是什麼設計原則來控制所需屬性的」。研究人員回應理論分析和實驗測量相結合的方法現在已經有了一些結果。

該論文的第一作者Muy說：「我們意識到有很多材料可以被發現，但是沒有理解或者共同的原則讓我們能夠合理化發現過程。我們想出了一個可以封裝我們的理解並預測哪些材料將處於最佳狀態的想法。」

Shao-Horn 說，關鍵是要觀察這些固體材料的晶格性質。這決定了諸如熱波和聲子之類的振動是如何通過材料的。這種觀察結構的新方法最終證明能夠準確地預測材料的實際性能。一旦你知道了某物質的振動頻率，你就可以用它來預測新的化學性質或解釋實驗結果。

研究人員觀察到使用該模型確定的晶格特性與鋰離子導體材料的導電性之間具有良好的相關性。她說，「我們做了一些實驗來實驗性地支持這個想法」，並發現結果非常吻合。

他們特別發現，鋰的振動頻率本身可以通過調整晶格結構、使用化學取代或摻雜劑來微妙地改變原子的結構排列來進行微調。

研究人員表示這個新概念現在可以提供一個強大的工具，用於開發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，並提高安全性。他們已經用這個新方法篩選出了一些新的材料。而且這些技術還可以適用於分析其他電化學過程的材料，如固體氧化物燃料電池，基於膜的脫鹽系統或產生氧氣的反應。

該團隊包括麻省理工學院的張浩勛， Douglas Abernathy，Dipanshu Bansal和Oak Ridge的Olivier Delaire; 東京工業大學的Santoshi Hori和Ryoji Kanno; 以及寶馬集團位於慕尼黑的研究電池技術公司的Filippo Maglia，Saskia Lupart和Peter Lamp。這項工作得到了寶馬，國家科學基金會和美國能源部的支持。

文章來自azonano網站，原文題目為Design principles could point to better electrolytes for next-generation lithium batteries，由材料科技在線匯總整理。

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