Pevné Elektrolyty Zvyšují Výkon Baterií

Pro mnoho budoucích technologií mají klíčová význam vysoce výkonná a dlouhotrvající zařízení pro ukládání energie: Například pro elektromobilitu, pro mobilní zařízení, jako jsou tablety nebo chytré telefony, nebo pro efektivní využívání obnovitelných zdrojů energie. Dr. Daniel Mutter z Fraunhoferova institutu pro mechaniku materiálů IWM byl schopen objasnit, jak pevné elektrolyty vyrobené z keramiky musí být chemicky složeny, aby fungovaly dobře v lithium-iontových bateriích. Publikoval to v Journal of Applied Physics. Pevné elektrolyty tohoto druhu jsou považovány za šetrnější k životnímu prostředí než konvenční kapalné elektrolyty a mohly by lithium-iontové baterie výrazně účinněji a spolehlivěji využívat

Představují nižší riziko výbuchu a pokud jsou poškozeny, například nárazem, neměla by unikat žádná kyselina, což může způsobit popálení a otravu u lidí.

Elektrolyty baterií musí splňovat vysoké požadavky

Požadavky na materiálové vlastnosti bateriových elektrolytů jsou značné: Iontová vodivost by měla být vysoká a použité chemické prvky by měly být netoxické a bohaté na zemskou kůru.

Dr. atom identifikoval pomocí atomických simulací Matka má nyní několik kombinací chemických prvků pro keramiku NZP, které jsou pro tyto požadavky zvláště slibné.

Prakticky otestujte předpovědi

"Za určitých okolností můžeme kombinovat tyto zvláště výhodné keramické pevné fáze - elektrolyty s velmi silnými anodami s lithiovými kovy - to není možné s kapalnými elektrolyty, které se v současné době používají, protože silně reagují s kovovým lithiem a tím poškozují baterii," vysvětluje Dr.. Matka.

V dalším kroku chce výzkumný pracovník s partnery otestovat, zda předpokládané materiály výrazně zvyšují vodivost podle očekávání. Konkrétně by to znamenalo: kratší doby nabíjení s delšími provozními dobami, což by bylo zvláště výhodné pro elektromobilitu.

Navíc tato kombinace znamená menší hmotnost, protože lithiové kovové anody se stejnou kapacitou jsou výrazně lehčí než dříve používané grafitové anody.

Chemické prvky, které Dr. Výzkumy matek jsou údajně hojné v zemské kůře v Evropě a jsou relativně snadno rozložitelné.

Baterie

Vědci zkoumají pevné baterie pro elektromobily

Lithium-iontové baterie

S lithium-iontovými bateriemi je možné o 30 procent více energie

Keramika NZP má vysokou iontovou vodivost

Obecně je iontová vodivost keramických materiálů nižší než vodivost kapalných elektrolytů. Třída tzv. NZP keramiky však slibuje vysokou iontovou vodivost: jejich strukturální struktura umožňuje existenci „turistických stezek“, na nichž se lithiové ionty mohou snadno pohybovat. Díky tomu jsou zajímavými kandidáty na vysoce výkonné pevné elektrolyty pro lithium-iontové baterie.

Dříve však nebylo jasné, proč jsou určitá spojení silnější než jiná a která skutečně fungují obzvláště dobře.

Co je to NZP keramika?

Třída keramiky NZP je známá již od šedesátých let a nazývá se také Nasicon. Název získala podle chemické struktury NaZr2 (PO4) 3, u které byly objeveny zvláště pozitivní vlastnosti pro výrobu elektrolytů v pevné fázi.

Stabilita keramiky NZP je umožněna charakteristickou „lucernou“strukturou polyhedry tvořené atomy kyslíku kolem ostatních prvků. To vede k trojrozměrné síti migračních cest pro lithiové ionty, což vede k vysoké iontové vodivosti keramiky. Chemické prvky sodík, zirkonium a fosfor se mohou měnit. Jak je vidět na obrázku výše, sodík může být nahrazen lithiem a zirkoniem titanem. Variabilita prvků umožňuje analyzovat materiálové vlastnosti velkého počtu elementárních kombinací pomocí počítače.

Lepší porozumění keramiky NZP

Kromě předpovídání slibných materiálových skladeb má výzkum fyzika přispět k lepšímu pochopení atomových procesů v keramice NZP.

Zjistil, že migrační energie potřebná pro lithium-iontovou migraci závisí jiným způsobem na kyslíkovém prostředí kolem iontové migrační cesty, než se dříve myslelo. Identifikované vztahy struktura-vlastnost umožňují výrazně více opodstatněné předpovědi o účincích elementárních populací na strukturální strukturu a iontovou vodivost keramiky NZP.

Dr. Analýzy matky jsou součástí výzkumného projektu financovaného DFG na téma „Výroba a charakterizace keramických elektrolytů v pevné fázi s vysokou vodivostí lithných iontů“, který provedl ve spolupráci s Technologickým institutem v Karlsruhe (KIT) a TU v Mnichově.