Dankzij een nieuw ontdekte structuur van een op natrium gebaseerd materiaal kunnen de materialen worden gebruikt als elektrolyt in vaste-stofbatterijen, volgens onderzoekers van Penn State en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Het team is het materiaal aan het verfijnen met behulp van een iteratieve ontwerpbenadering waarvan ze hopen dat ze de tijd van onderzoek tot dagelijks gebruik jaren zullen verkorten.

de elektrolyt, een van de drie hoofdonderdelen van een batterij, is verantwoordelijk voor het overbrengen van geladen ionen in een solid-state batterij. Hierdoor ontstaat er een elektrische stroom zodra de andere twee delen van de batterij, de anode en kathode, zijn aangesloten in een circuit.

De meeste oplaadbare batterijen in smartphones, computers en andere consumentenelektronica gebruiken een vloeistof, op lithium gebaseerde elektrolyt.

"Vloeibare elektrolyten hebben veiligheidsproblemen omdat ze ontvlambaar zijn, " zei Donghai Wang, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, Penn State. "Dat is voor ons de drijvende kracht geweest om een ​​goed materiaal te vinden voor gebruik in solid-state batterijen."

Het nieuwe materiaal van het team bestaat uit natrium, fosfor, tin en zwavel en heeft een tetragonale kristalvorm. Het heeft gebreken, of ruimtes waar bepaald natrium, tin- en zwavelatomen zouden zijn, en deze zorgen ervoor dat het ionen kan overbrengen.

Omdat natrium veel overvloediger is dan lithium, een natrium-ionbatterij zou potentieel veel goedkoper te produceren zijn dan een lithium-ionbatterij. Het materiaal zou ook veiliger zijn om te gebruiken.

"Ons materiaal heeft een breed spanningsvenster en een hoge thermische stabiliteit, " zei Zhaoxin Yu, postdoctoraal onderzoeker in mechanische en nucleaire engineering, Penn State. "Als je vloeibare elektrolyten verwarmt tot 150 graden Celsius (302 graden Fahrenheit), ze zullen vlam vatten of veel warmte afgeven die andere batterij of elektronische componenten kan beschadigen. Ons materiaal presteert goed tot 400 graden Celsius (752 graden Fahrenheit)."

Het team meldde in Nano-energie dat hun materiaal een ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur heeft die ongeveer een tiende is van die van vloeibare elektrolyten die in de huidige batterijen worden gebruikt. De belangrijke ontdekking, ze zeiden, is de specifieke configuratie van defecten in de kristalstructuur.

"Onze ontdekking van deze nieuwe structuur van dit materiaal laat ons ook zien dat er een weg is voor het creëren van een nieuwe familie van geavanceerde superionische natriumion-geleiders, " zei Shun-Li Shang, onderzoekshoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State.

Het team heeft deze nieuwe batterij gemaakt en getest in het laboratorium van Wang, dat deel uitmaakt van Penn State's Battery and Energy Storage Technology Center. Met behulp van hun gezamenlijke ontwerpproces, het team heeft kunnen identificeren hoe verschillende kristalformaties, evenals inconsistenties in het materiaal, zijn prestaties hebben beïnvloed.

"Als je deze set gereedschappen niet hebt, het zou moeilijk zijn om een ​​doorbraak te maken, " zei Zi-Kui Liu, vooraanstaand hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Onze aanpak die zowel berekeningen als experimenten gebruikt, stelt ons in staat om de reden te analyseren waarom materialen anders presteren. Dat zal de dingen sneller maken voor de volgende ontwerpronde, omdat we weten wat we moeten regelen om het ionentransport te verbeteren."

Een deel van de modellering van het team vond plaats op supercomputers die werden gehost door Penn State's Institute for CyberScience.