研究人员表示，一种分析和设计新离子导体（可充电电池的关键组成部分）的新方法可以加速高能锂电池以及燃料电池等其他能量存储和输送设备的开发。

新方法依赖于了解振动在锂离子导体晶格中移动的方式，并将其与它们抑制离子迁移的方式相关联。这提供了一种发现具有增强离子迁移率的新材料的方法，允许快速充电和放电。同时，该方法可用于降低材料与电池电极的反应性，从而缩短其使用寿命。这两个特征——更好的离子迁移率和低反应性——往往是相互排斥的。

新概念由 WM Keck 能源教授 Yang Shao-Horn、研究生 Sokseiha Muy、应届毕业生 John Bachman 博士 '17 和研究科学家 Livia Giordano 以及麻省理工学院橡树岭国家实验室的其他 9 人领导的团队开发，以及东京和慕尼黑的机构。他们的发现发表在《能源与环境科学》杂志上。

Shao-Horn 说，新的设计原则已经酝酿了大约五年。最初的想法始于她和她的团队用来理解和控制水分解催化剂并将其应用于离子传导的方法——这一过程不仅是可充电电池的核心，也是燃料等其他关键技术的核心细胞和海水淡化系统。带有负电荷的电子从电池的一个极流向另一个极（从而为设备提供电力），而正离子则以另一种方式流动，通过夹在这些极之间的电解质或离子导体，以完成流动.

通常，该电解质是液体。溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中常见的电解质。但这种物质是易燃的，有时会导致这些电池着火。一直在寻找一种固体材料来代替它，这将消除这个问题。

Shao-Horn 说，存在多种有前途的固体离子导体，但在与锂离子电池的正极和负极接触时，没有一种是稳定的。因此，寻找兼具高离子电导率和稳定性的新型固体离子导体至关重要。但是，对许多不同的结构族和成分进行分类以找到最有希望的那些是大海捞针的经典问题。这就是新设计原则的用武之地。

我们的想法是找到离子电导率与液体相当的材料，但具有固体的长期稳定性。团队问道：“基本原理是什么？控制所需特性的一般结构层面的设计原则是什么？” 绍洪说。研究人员说，理论分析和实验测量的结合现在已经产生了一些答案。

“我们意识到有很多材料可以被发现，但没有任何理解或共同原则可以让我们合理化发现过程，”该论文的主要作者 Muy 说。“我们提出了一个想法，可以概括我们的理解并预测哪些材料将是最好的。”

关键是观察这些固体材料晶体结构的晶格特性。这决定了诸如热波和声波（称为声子）之类的振动如何穿过材料。这种观察结构的新方法被证明可以准确预测材料的实际特性。“一旦你知道[给定材料的振动频率]，你就可以用它来预测新的化学反应或解释实验结果，”Shao-Horn 说。

研究人员观察到使用该模型确定的晶格特性与锂离子导体材料的电导率之间存在良好的相关性。她说：“我们做了一些实验来支持这个想法”，发现结果非常吻合。

他们特别发现，锂本身的振动频率可以通过调整其晶格结构、使用化学取代或掺杂剂来巧妙地改变原子的结构排列来进行微调。

研究人员现在可以为开发新的、性能更好的材料提供强大的工具，从而显着提高可存储在给定尺寸或重量的电池中的电量，并提高安全性说。他们已经使用这种方法找到了一些有前途的候选人。并且这些技术还可以适用于分析其他电化学过程的材料，例如固体氧化物燃料电池、基于膜的脱盐系统或制氧反应。

该团队包括麻省理工学院的张浩勋；橡树岭的 Douglas Abernathy、Dipanshu Bansal 和 Olivier Delaire；东京工业大学的 Santoshi Hori 和 Ryoji Kanno；慕尼黑宝马集团电池技术研究中心的 Filippo Maglia、Saskia Lupart 和 Peter Lamp。这项工作得到了宝马、美国国家科学基金会和美国能源部的支持。