賓夕法尼亞州立大學(xué)和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的研究人員稱(chēng)，新發(fā)現(xiàn)的鈉基材料結(jié)構(gòu)使這些材料可用作固態(tài)電池中的電解質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)正在使用迭代設(shè)計(jì)方法對(duì)材料進(jìn)行微調(diào)，他們希望這些方法能夠在研究到日常使用的過(guò)程中花費(fèi)數(shù)年時(shí)間。

電解質(zhì)是電池的三個(gè)主要部分之一，負(fù)責(zé)在固態(tài)電池中轉(zhuǎn)移帶電離子。一旦電池的另外兩個(gè)部分(陽(yáng)極和陰極)連接在電路中，這就產(chǎn)生電流。

智能手機(jī)，計(jì)算機(jī)和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品中的大多數(shù)可充電電池使用液態(tài)鋰基電解質(zhì)。

“液體電解質(zhì)存在安全問(wèn)題，因?yàn)樗鼈円兹迹?rdquo;賓夕法尼亞州機(jī)械工程副教授王東海說(shuō)。“這一直是我們尋找用于固態(tài)電池的良好材料的驅(qū)動(dòng)力。”

該團(tuán)隊(duì)的新材料由鈉，磷，錫和硫組成，具有四方晶體形狀。它有缺陷，或某些鈉，錫和硫原子的空間，這些允許它轉(zhuǎn)移離子。

因?yàn)殁c比鋰更豐富，鈉離子電池的生產(chǎn)成本可能比鋰離子電池便宜得多。該材料使用起來(lái)也更安全。

“我們的材料具有寬電壓窗口和高熱穩(wěn)定性，”賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械和核工程博士后研究員趙兆新說(shuō)。“當(dāng)你將液體電解質(zhì)加熱到150攝氏度(302華氏度)時(shí)，它們會(huì)著火或釋放出大量熱量，可能會(huì)損壞其他電池或電子元件。我們的材料可以達(dá)到400攝氏度(752華氏度) “。

該團(tuán)隊(duì)在納米能源報(bào)告稱(chēng)，他們的材料的室溫離子電導(dǎo)率約為當(dāng)今電池中液體電解質(zhì)的十分之一。他們說(shuō)，重要的發(fā)現(xiàn)是晶體結(jié)構(gòu)中缺陷的具體配置。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程研究教授尚順利表示：“我們對(duì)這種材料新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也向我們展示了創(chuàng)造一系列先進(jìn)鈉離子超離子導(dǎo)體的途徑。”

該團(tuán)隊(duì)在Wang的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建并測(cè)試了這種新電池，該實(shí)驗(yàn)室是賓夕法尼亞州電池和儲(chǔ)能技術(shù)中心的一部分。通過(guò)他們的協(xié)作設(shè)計(jì)過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠確定不同的晶體形成以及材料的不一致性如何影響其性能。

“如果你沒(méi)有這套工具，就很難取得突破，”賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系杰出教授劉子奎說(shuō)。“我們使用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法使我們能夠分析材料表現(xiàn)不同的原因。這將使下一輪設(shè)計(jì)的速度更快，因?yàn)槲覀冎牢覀冃枰刂剖裁床拍茉鰪?qiáng)離子傳輸。”

該團(tuán)隊(duì)的一部分建模是在賓夕法尼亞州立大學(xué)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究所主持的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。