Superioniske materialer er en klasse af materialer, der samtidig præsenterer egenskaber, der er karakteristiske for faste stoffer og væsker. I det væsentlige udviser et sæt ioner i disse materialer væskelignende mobilitet, selvom materialerne underliggende atomstruktur opretholder en solid-lignende rækkefølge.
På grund af deres unikke ioniske ledningsevne-mønstre kunne superioniske materialer være lovende for at udvikle faststofbatterier. Dette er batterier, der indeholder elektrolytter baseret på faste materialer i stedet for flydende elektrolytter.
Mens forskellige tidligere undersøgelser har undersøgt potentialet i superioniske materialer som faststof-elektrolytter, er fysikken, der ligger til grund for deres hurtige ioniske diffusion, endnu ikke fuldt ud forstået. Specifikt er det uklart, om denne egenskab er resultatet af væskeagtig bevægelse i materialet eller fra de konventionelle gitterfononer (dvs. atomvibrationer) i materialet.
Forskere ved Duke University og andre institutter gennemførte for nylig en undersøgelse, der undersøgte de mekanismer, der ligger til grund for ionmobiliteten i den superioniske forbindelse Li₆ps₅cl, som kunne være en lovende faststof-elektrolyt. Deres fund, der blev offentliggjort i Naturfysikafslører, at den ioniske bevægelse i dette materiale er knyttet til dets flydende lignende dynamik, samtidig med at de åbner nye muligheder for optimering af faststofbatterier.
“Vores forskningsgruppe har været interesseret i at forstå atomdynamikken i energimaterialer i nogen tid,” fortalte Olivier Delaire, seniorforfatter af The Paper, til LektieForum.
“Vi har fundet på tværs af mange klasser af materialer stærke afvigelser fra lærebogsmodellerne af harmonisk gitterdynamik, der er beskrevet i form af fonon i faststoffysik. I tilfælde af fast-state elektrolytmaterialer søger man en solid ramme Det muliggør meget høje diffusiviteter af mobile ioner (såsom lithium eller natrium), der kan sammenlignes med dem fra flydende elektrolytter, samtidig med at de tilbyder god kemisk og termisk stabilitet. “
Det primære mål med denne nylige undersøgelse fra Delaire og hans kolleger var at bedre forstå, hvordan Li+ Kationer kan diffundere så hurtigt i de komplekse krystallinske rammer for lithium -argyroditen li₆ps₅cl. Derudover ønskede forskerne at afgøre, om dynamikken i disse ioner kunne forstås i sammenhæng med fononer i et krystallinsk materiale, selvom de forudsagde tilstedeværelsen af stærke anharmoniske effekter.
“For at undersøge bevægelserne fra ioner i superioniske materialer udførte vi neutronspredningseksperimenter ved Doe’s Oak Ridge National Laboratory og atomistiske computersimuleringer, baseret på såkaldte førsteprincipmetoder og forstærket med maskinlæringsteknikker,” forklarede Delaire.
Neutronspredning, den vigtigste teknik, som forskerne brugte til at undersøge Li₆ps₅cl, er et kraftfuldt værktøj designet til at undersøge atomvibrationer og dermed afslører atomdynamik med frekvenser i GHZ-THz-området. Ved hjælp af denne teknik var Delaire og hans kolleger i stand til at bestemme, om ioner vibrerer omkring lokale potentielle brønde eller hopper mellem flere steder i prøvematerialets struktur i stedet.
“Fordi neutronspredningstværsnittet er godt forstået, kan vi direkte sammenligne neutrondataene med resultaterne af molekylære dynamik-simuleringer,” sagde Delaire.
“De seneste fremskridt med maskinlæring til at træne surrogatkraftfelter på nøjagtige kvantemekaniske energier/kræfter åbner muligheden for direkte at matche den eksperimentelle opløsning. Vi har imidlertid brug for tilstrækkeligt store, simulerede baner og kører derfor vores simuleringer på høje performance-computere , såsom NERSC Supercomputing Center. “
Ved at kombinere neutronspredningseksperimenter med maskinlæringsgenereret molekylær dynamik simuleringer, kunne forskerne observere, hvordan vibrationsspektre for mobile LI+ Ioner i li₆ps₅cl udviklede sig fra en krystallignende til en flydende lignende fase. Generelt indsamlede deres fund ny vigtig indsigt i arten af hurtig ionisk bevægelse i superioniske materialer.
“Superioniske materialer har ganske kompliceret atomdynamik og ofte ret komplekse strukturer,” sagde Delaire. “Design af materialer med superioniske diffusiviteter og god stabilitet fra bunden af har været udfordrende.
“Vores metoder og resultater identificerer en vigtig rolle af kombineret dynamik af de diffusive ioner og vibrationsformer for værtskrystallrammen. Da vi har erfaring og værktøjer til systematisk at undersøge og forudsige fononer i temmelig komplekse strukturer, håber vi går ud over et statisk syn på materialer. “
Det nylige arbejde af Delaire og hans kolleger fremhæver løftet om Li₆ps₅cl som en faststatselektrolyt. I fremtiden kunne det informere designet om nye faststofbatterier og åbne nye veje til optimering af superioniske materialer, som kan hjælpe med at forbedre energilagrings- og effekt-overtrædelseseffektiviteten af faste statsbatterier. Designet af materialer med superioniske diffusiviteter kunne også informere udviklingen af andre enheder ud over faststofbatterier, herunder brændselsceller og neuromorf computing-hardware.
“Vi udvider række af superioniske materialesammensætninger, vi undersøger. Vi er meget åbne for nye samarbejder,” tilføjede Delaire.
“Fremtidig udvikling af neutroninstrumenter kunne drastisk fremskynde vores evne til at undersøge superionisk dynamik, f.eks og dataanalyse, og vi ser et stort potentiale i yderligere integration af computersimuleringer med neutron- eller røntgenpredningseksperimenter. “