n MATERIALEKEMI Figur 3. Estimering af brudsejhed i fasstofelektrolytter sker ved at studere, hvor meget kraft det kræves at åbne en revne i et materiale. Dette kan gøres direkte i computeren med atomar opløsning. Simuleringsboksen skitseret ovenfor er på cirka 18.000 atomer og har en horisontal sidelængde på cirka 12 nanometer. Individuelle atomer kan skimtes som de farvede kugler. Figuren er genoptrykt fra Ref. [6] med tilladelse fra Royal Society of Chemistry. simuleringer med tusindvis af atomer i op til flere nanosekunder (1 ns = 10 -9 s) med en nøjagtighed tæt på kvante mekaniske beregninger [5]. Det kan lyde som meget kort tid, men det er flere størrelsesordener bedre end for bare få år tilbage. Udviklingen er drevet af øget computerkraft, nye algoritmer, og specielt nye måder at bygge kraftfelter på. Dette muliggør ”lange” simuleringer, hvor man kan studere, hvordan de relevante ioner (typisk Li + eller Na + ) bevæger sig, enten som funktion af temperatur eller under et elektrisk felt, for derved at estimere materialets ioniske ledningsevne – en af de vigtigste parametre for succes- fuldt at kunne benytte et materiale som en faststofelektrolyt. Glas revner stadig Om end udviklingen af faststofelektro- lytter har set massive fremskridt de se- neste år, har de stadig problematikker relateret direkte til den faste tilstand. Et typisk problem er, at der kan vokse dendritter af lithium på anoden under opladning. På grund af den relativt lave modstand mod revnevækst (lav brud- sejhed) i mange faststofelektrolytter vil disse såkaldte ”dendritter” kunne vokse sig igennem faststofelektrolytten, reducere dens ydeevne og ultimativt kortslutte batteriet ved at forbinde de to elektroder. I vores forskning arbejder vi aktivt på at forstå, hvad der styrer brudsejheden i glasbaserede faststof- elektrolytter, hvordan den ændrer sig under battericyklussen, og ultimativt, hvordan den kan forbedres. Her udnytter vi MD-simuleringer til at estimere brudsejheden ved direkte at ”måle” den kraft, der skal til, for at en revne gror i en given faststofelek- trolyt. Et eksempel på en sådan simu- lering ses i figur 3, hvor simulerings - boksen med en indsat revne (hulrum i strukturen) løbende strækkes, hvorfor revnen vokser og til sidst kløver elektrolytten. MD-simuleringerne gør det muligt at teste et stort antal systemer på relativt kort tid sam- menlignet med eksperimenter. Dette har blandt andet gjort det muligt at påvise, hvordan brudsejheden falder, når ionledningsevnen stiger i et ion- ledende glas baseret på Li 2 S-SiS 2 [6]. Vi har udnyttet det samme princip til at studere andre systemer med rele- vans som faststofelektrolytter, blandt andet glaskeramiske materialer (dvs. delvist amorfe, delvist krystallinske) baseret på lithium aluminotitano- fosfat, hvor glas-krystal grænsefla - den giver en unik høj brudstyrke. Ved hjælp af simuleringerne har vi tilskrevet denne effekt til en forøget mulighed for flere af kationerne (Al, Ti) til skifte koordinationstal under deformeringen og derved fordele energien i grænsefladerne mellem glas og krystal [7,8]. Opsamling Glasmaterialer har vist sig interessante som materialer i moderne faststofbat- terier. Deres uordnede struktur giver unikke muligheder for at finjustere deres egenskaber, men besværliggør deres design alene baseret på eksperi- mentelle studier. I vores forskning har vi fokus på at forstå brudmekanismer- ne af forskellige faststofelektrolytter, blandt andet ved hjælp af computersi- muleringer på nanoskala. Her kan vi følge, hvordan de atomare bindinger brydes, når en revne vokser og derved analysere, hvilke strukturelle dele af en elektrolyt der er med til at forbedre modstanden mod revnedannelse, mens ionledningsevnen og ydeevnen af bat- teriet stadig opretholdes. E-mail: Søren Strandskov Sørensen: soe@bio.aau.dk Morten Mattrup Smedskjær: mos@bio.aau.dk Referencer 1. Kalnaus S, Dudney NJ, Westover AS, Herbert E, Hackney S (2023) Solid-state batteries: The critical role of mechanics. Science, 381 : eabg5998. 2. Wang Z, Luo S-hua, Zhang X, Guo S, Li P, Yan S (2023) Glass and glass ceramic electrodes and solid electrolyte materials for lithium ion batteries: A review. Journal of Non-Crystalline Solids , 619, 122581. 3. Zhao Q, Stalin S, Zhao CZ, Archer LA (2020) Designing solid-state electrolytes for safe, energy-dense batteries. Nature Reviews Materials , 5(3):229-252. 4. Janek J, Zeier WG (2016) A solid future for battery development. Nature Energy , 1(9):16141. 5. Unke OT, Chmiela S, Sauceda HE, Gastegger M, Poltavsky I, Schütt KT, Tkatchenko A, Müller KR (2021) Machine Learning Force Fields. Chemical Reviews , 121(16):10142-. 6. Sørensen SS, Boysen D, Lindbjerg ER, Mortensen HN, Lippert KT, Diget SM, Konieczna Z, Micoulaut M, Smedskjaer MM (2025) Balancing fracture toughness and ionic conductivity in lithium thiosilicate glassy electrolytes. Physical Chemistry Chemical Physics, 27: 10331-10341. 7. Chen Z, Du T, Krishnan NMA, Smedskjaer MM (2023) Enhanced bond switching at complexion layer facilitates high fracture energy of LATP solid-state electrolytes. Journal of Materials Chemistry A , 12(5):3061-3071. 8. Famprikis T, Canepa P, Dawson JA, Islam MS, Masquelier C (2019) Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries. Nature Materials , 18(12):1278-1291. 12 Dansk Kemi, 106, nr. 5, 2025 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her