研究人員表示，分析和設(shè)計新離子導體的新方法為可充電電池提供了關(guān)鍵部件。新方法的應(yīng)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(fā)展。

該圖揭示了意向電池電解質(zhì)材料Li3PO4的晶格結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，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?nèi)绾卧陔姵刂袑嶋H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離子。

新方法依賴于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(guān)聯(lián)。這提供了一種方法來發(fā)現(xiàn)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(yīng)性，材料與電池電極的反應(yīng)會縮短電池的使用壽命。更好的離子遷移率和低反應(yīng)性這兩個特性——往往是相互排斥的。

這個新概念是由W.M領(lǐng)導的一個團隊開發(fā)的。該團隊包括Keck能源教授YangShao-Horn，研究生SokseihaMuy，最近畢業(yè)的年僅17歲的博士JohnBachman，研究科學家LiviaGiordano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(jié)果在EnergyandEnvironmentalScience雜志上報道。

Shao-Horn說，新的設(shè)計原則已經(jīng)有五年的時間了。最初的想法始于她和她的團隊用來了解和控制催化水分解，并將其應(yīng)用于離子傳導-這一過程不僅是可充電電池的核心，而且也是其他應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵，如在燃料電池和海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)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(zhì)或夾在這些極之間，以完成流動。

典型地，電解質(zhì)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(zhì)。但該物質(zhì)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(wěn)定性的特點。因此，尋找既具有高離子電導率又具有穩(wěn)定性的新的固體離子導體是至關(guān)重要的。但是，通過對許多不同的結(jié)構(gòu)族和成分進行分類，找到最有前途的結(jié)構(gòu)無疑是一項大海撈針的工作。這就是新的設(shè)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?shù)牟牧希仨毦哂泄腆w的長期穩(wěn)定性。Shao-Horn說研究人員被問到“基本原則是什么”，“在一般的結(jié)構(gòu)層次上，是什么設(shè)計原則來控制所需屬性的”。研究人員回應(yīng)理論分析和實驗測量相結(jié)合的方法現(xiàn)在已經(jīng)有了一些結(jié)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(fā)現(xiàn)，但是沒有理解或者共同的原則讓我們能夠合理化發(fā)現(xiàn)過程。我們想出了一個可以封裝我們的理解并預(yù)測哪些材料將處于最佳狀態(tài)的想法。”

Shao-Horn說，關(guān)鍵是要觀察這些固體材料的晶格性質(zhì)。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(jié)構(gòu)的新方法最終證明能夠準確地預(yù)測材料的實際性能。一旦你知道了某物質(zhì)的振動頻率，你就可以用它來預(yù)測新的化學性質(zhì)或解釋實驗結(jié)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(guān)性。她說，“我們做了一些實驗來實驗性地支持這個想法”，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常吻合。

他們特別發(fā)現(xiàn)，鋰的振動頻率本身可以通過調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)、使用化學取代或摻雜劑來微妙地改變原子的結(jié)構(gòu)排列來進行微調(diào)。

研究人員表示這個新概念現(xiàn)在可以提供一個強大的工具，用于開發(fā)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，并提高安全性。他們已經(jīng)用這個新方法篩選出了一些新的材料。而且這些技術(shù)還可以適用于分析其他電化學過程的材料，如固體氧化物燃料電池，基于膜的脫鹽系統(tǒng)或產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)。