研究人員表示，分析和設計新型離子導體(一種可充電電池的關鍵部件)的新方法可能會加速高能鋰電池的開發，以及可能的其他儲能和輸送設備，如燃料電池。
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新方法依賴于理解振動穿過鋰離子導體晶格的方式，并將其與抑制離子遷移的方式聯系起來。這提供了一種發現具有增強的離子遷移率的新材料的方法，允許快速充電和放電。同時，該方法可用于降低材料與電池電極的反應性，這可縮短其使用壽命。這兩個特性 - 更好的離子遷移率和低反應性 - 傾向于相互排斥。
這個新概念是由WM Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近畢業的John Bachman博士領導的團隊開發的。"17，和研究科學家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九個機構。
Shao-Horn說，新的設計原則已有五年左右的時間。最初的想法始于她和她的團隊用來理解和控制水分解催化劑的方法，并將其應用于離子傳導 - 這個過程不僅是可充電電池的核心，也是其他關鍵技術，如燃料細胞和海水淡化系統。當帶負電荷的電子從電池的一極流向另一極(從而為器件提供電力)時，正離子以另一種方式流過電解質或離子導體，夾在這些極之間，以完成流動。
通常，該電解質是液體。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。但這種物質是易燃的，有時會使這些電池著火。正在尋找一種可以替代它的固體材料，這將消除這個問題。
Shao-Horn說，存在各種有希望的固體離子導體，但當與鋰離子電池中的正極和負極接觸時，沒有一種是穩定的。因此，尋找具有高離子傳導性和穩定性的新型固體離子導體是至關重要的。但是，通過許多不同的結構族和組合物進行分類以找到最有希望的結構，這是大海撈針問題中的經典針。這就是新設計原則的用武之地。
我們的想法是找到離子電導率與液體相當的材料，但具有固體的長期穩定性。該團隊問道：“基本原則是什么?一般結構層面的設計原則是什么，它控制著所需的特性?” Shao-Horn說。研究人員說，理論分析和實驗測量的結合現在已經產生了一些答案。
“我們意識到有很多材料可以被發現，但沒有理解或共同原則使我們能夠使發現過程合理化，”該論文的第一作者Muy說。“我們想出了一個可以包含我們理解并預測哪些材料將是最好的材料的想法。”
關鍵是要看這些固體材料的晶體結構的晶格特性。這決定了諸如被稱為聲子的熱和聲波之類的振動如何通過材料。這種觀察結構的新方法最終可以準確預測材料的實際特性。“一旦你知道[給定材料的振動頻率]，你可以用它來預測新化學或解釋實驗結果，”Shao-Horn說。
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電導率之間存在良好的相關性。她說：“我們做了一些實驗來實驗性地支持這個想法”，并發現結果很好。
他們特別發現鋰本身的振動頻率可以通過調整其晶格結構，使用化學取代或摻雜劑巧妙地改變原子的結構排列來微調。
新概念現在可以提供一種強大的工具，用于開發新的，性能更好的材料，可以顯著改善可存儲在給定尺寸或重量的電池中的功率，以及提高安全性，研究人員說。他們已經使用這種方法找到了一些有希望的候選人。并且該技術還可以適用于分析用于其他電化學過程的材料，例如固體氧化物燃料電池，基于膜的脫鹽系統或產生氧氣的反應。
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