研究人员开发多尺度建模框架 打破固态电池的壁垒

固体电解质可以克服传统锂离子和钠离子电池的关键技术障碍，如狭窄的电化学和热稳定窗口。然而，很多固态电解质（尤其是陶瓷）也存在循环不良问题，并且有效传输离子的能力有限。这些局限性通常源于构成材料微观结构的界面和其他特征，而这又取决于材料的加工方式。

（图片来源：LNL）

据外媒报道，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、旧金山州立大学（San Francisco State University）和宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）的研究人员合作，利用广泛的多尺度模拟功能，帮助识别、评估和克服固体电解质中的微观结构对离子传输的影响。

LLNL的研究人员Tae Wook Heo表示：“研究人员提出一种强大的新计算建模功能，不仅为储能研究领域，也为材料加工界，提供基本的科学理解和实用的设计指导。”

在实际的固态材料中，不可避免会出现微观结构特征，如缺陷、结构无序和内部界面网络，对实际传输性能和电池寿命产生重大影响。这些特征还带来机械性能的不均匀性，可能对循环性产生额外影响。在这项新研究中，研究团队希望，深入了解微结构和离子传输性能的具体关系。据Heo介绍，对于开发具有高离子电导率的可行固体电解质材料的合成和加工途径，这些知识具有重要意义。

新开发的多尺度建模框架，将原子无序和异质性原子模拟，结合至包含晶界和其他界面的微观结构模型上，从而实现前所未有的复杂性。由此产生的工具可以从两个尺度探索界面对传输的影响，从而取代传统方法，比如缺乏结构细节的简单电路模型。

长期以来，关于陶瓷固体电解质中微观结构的重要性一直存在争议。这种新工具为解决这些争议提供了见解。研究人员能够量化晶界对离子传输的影响，并确定与电池降解常见模式的可能相关性。LNL项目负责人Brandon Wood表示：“现在，人们对固态电池和加工科学越来越感兴趣。这项工作符合当前需求，并且具有影响力。”