Lithium-Titan-Modifikationen steigern die Leistung von Natrium-Ionen-Batterien für Stromnetze

Forscher des UC San Diego haben einen Supercomputer und künstliche Intelligenz eingesetzt, um Materialien für Natrium-Ionen-Batterien zu verbessern, ein Schritt, der die Kosten für großflächige Energiespeicherung für Str Forscher des UC San Diego haben einen Supercomputer und künstliche Intelligenz eingesetzt, um Materialien für Natrium-Ionen-Batterien zu verbessern, ein Schritt, der die Kosten für großflächige Energiespeicherung für Stromnetze senken könnte.

Das Team nutzte den Expanse Supercomputer des San Diego Supercomputer Center, um zu untersuchen, wie kleine Materialänderungen im Kathodenmaterial einer Batterie die Energiespeicherung steigern und die Batterielebensdauer verlängern könnten.

Natrium-Ionen-Batterien gelten als kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Zellen, da Natrium reichlich vorhanden und weit verbreitet ist. Das macht sie attraktiv für die Speicherung erneuerbarer Energien aus Solar- und Windkraftanlagen, bei denen die Kosten ein Hauptfaktor sind.

Leistung und Energieausbeute

Aber Natrium-Batterien hatten mit einer geringeren Leistung und schnelleren Degradation als lithiumbasierte Batterien zu kämpfen, insbesondere bei Hochvoltbetrieb. Winzige Anpassungen, große GewinneUm dies zu beheben, modifizierten Wissenschaftler ein bestehendes natriumbasiertes Kathodenmaterial, indem sie kleine Mengen Lithium und Titan hinzufügten.

„Diese subtilen Änderungen machten einen großen Unterschied: Das modifizierte Material konnte mehr Energie speichern und blieb stabil, selbst wenn die Batterie auf höhere Spannungen getrieben wurde, was eine Schlüsselanforderung ist, um bei jeder Ladung mehr Energie zu gewinnen“, erklärte Professor Shirley Meng vom UC San Diego.

„In Labortests hielt die verbesserte Kathode signifikant mehr Ladung und behielt nach vielen Zyklen noch einen Großteil ihrer Kapazität bei, selbst unter anspruchsvollen Hochvoltbedingungen, die normalerweise dazu führen, dass Natriummaterialien schneller zerfallen.“ Die Herausforderung für die Forscher bestand darin, genau zu verstehen, warum diese geringfügigen chemischen Änderungen einen so großen Einfluss auf die Leistung hatten.

Genau hier kam Expanse ins Spiel.

Genau hier kam Expanse ins Spiel.

Die Nutzung von Rechenressourcen über die Vereinigten Staaten Im Rahmen des National Science Foundation ACCESS program führte das Team groß angelegte Simulationen der Bewegung von Natriumionen durch die Kristallstruktur des Materials während des Ladevorgangs und Entladevorgangs durch.

KI beschleunigt die Entdeckung Die Simulationen stützten sich auf KI-Modelle, die als Foundation Potentials bekannt sind und atomare Berechnungen schneller und kostengünstiger durchführen können als herkömmliche rechnerische Methoden.

Die Forscher erklärten, dass das digitale

Die Forscher erklärten, dass das digitale Modell zeigte, dass Lithium und Titan dabei halfen, die Natriumionen freier zu bewegen und gleichzeitig verhinderten, dass das Kristallgerüst bei wiederholtem Gebrauch kollabierte.

„Durch die Eingrenzung vielversprechender Designs auf Expanse, bevor wir ins Labor gingen, konnten wir viel schneller vorankommen, als wenn wir uns nur auf Versuch und Irrtum verlassen hätten“, sagte Shyue Ping Ong, Professor an der UC San Diego und Mitarbeiter des Projekts.

„Unsere Ergebnisse deuten auf einen praktikablen Weg zur Verbesserung von Natrium-Ionen-Batterien hin, was es wahrscheinlicher macht, große Batteriespeicher zu bauen, die erneuerbare Energie speichern und freisetzen, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht.“ Die Arbeit unterstreicht auch, wie Supercomputer zu Schlüsselwerkzeugen in der Batterieforschung werden.

Mögliche Anwendungen

Anstatt sich nur auf Laborexperimente zu verlassen, können Wissenschaftler nun Tausende möglicher Materialkombinationen simulieren, bevor sie Prototypen bauen. Dies könnte die Entwicklungszeiten für Batterien der nächsten Generation verkürzen, die in Netzausgleichssystemen, Speichern erneuerbarer Energien und zukünftigen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.

Die Ergebnisse wurden in Advanced Energy Materials veröffentlicht.