弯曲晶体结构固态电池候选材料性能的关键

杜克大学的一组研究人员和他们的合作者发现了原子机制,使一个类的化合物称为argyrodites有吸引力的候选人对电池固态电解质和热电能量转换器。

发现,让他们使用机器学习方法——可以帮助开创一个新时代的能源存储等应用家用电池墙壁和电动汽车充电快。

结果出现在线5月18日在《自然材料》上。

“这是一个谜,没有了之前的大型和复杂的每个构件材料,”奥利弗Delaire说,杜克大学机械工程和材料科学的副教授。“我们嘲笑在原子水平的机制,导致整个类的材料领域的一个热门话题的固态电池创新”。

随着世界走向未来建立在可再生能源,研究人员必须开发新技术来存储和分发的能量房屋和电动汽车。虽然旗手这一点已经包含液体电解质的锂离子电池,它远非理想溶液由于其相对较低的效率和液体电解质的亲和力偶尔着火和爆炸。

这些限制主要来自内部的化学反应液体电解质锂离子电池允许锂离子电极之间相对的移动。而伟大的电荷移动,液体组件使得他们对高温会导致退化和敏感,最终,一个热失控的灾难。

许多公共和私人实验室花费了大量的时间和金钱来开发替代固态电池的各种材料。如果设计正确,这种方法提供了一个更安全、更稳定的设备具有更高的能量密度——至少理论上是这样。

虽然还没有人发现了一个固态电池商业上可行的方法,一个领先的竞争者依赖类的化合物称为argyrodites,含银矿物的名字命名的。这些化合物是由特定的稳定晶体框架由两个元素与第三自由移动的化学结构。虽然一些食谱,如银、锗和硫是自然产生的,研究人员的一般框架足够灵活来创建一个广泛的组合。

“每个电动汽车制造商正试图转移到新的固态电池的设计,但没有一个是公开的,成分他们押注,“Delaire说。“赢得比赛将是一个改变游戏规则的,因为车可以更快、更持久和更安全。”

在论文中,Delaire和他的同事们看一个有前途的候选人是用银做的,锡和硒(Ag8SnSe6)。通过结合x射线和中子,研究者反弹这些极其快速粒子原子内的样本Ag8SnSe6实时揭示其分子行为。团队成员Mayanak古普塔Delaire前博士后研究员的实验室现在巴巴原子研究中心在印度,还发明了一种机器学习方法的数据和创建了一个计算模型与观测使用采用基于量子力学模拟。

结果表明,当锡和硒原子创建了一个相对稳定的脚手架,它远非静态。晶体结构不断展示创建窗口和渠道收取银离子通过材料自由移动。Delaire说,这个系统就像锡和硒晶格保持固体银时的近似液态。

”有点像银原子球诺大的底很浅井,移动像水晶支架不是固体,“Delaire说。“二元性的液体和固体之间的物质生活是我发现最令人惊讶。”

结果,或许更重要的是,先进的实验光谱与机器学习相结合的方法,帮助研究人员应该更快进展取代锂离子电池在许多关键的应用程序。Delaire表示,这项研究只是其中一套项目针对各种承诺argyrodite化合物组成不同的食谱。锂的一个组合,取代了银是特别感兴趣的,鉴于其潜在的电动汽车电池。

“这些材料为电池提供快速传导时良好的热绝缘体热电转换器,我们系统地观察整个家族的化合物,“Delaire说。“这项研究为基准我们的机器学习方法,使我们的模拟能力的巨大进步这些材料只有几年。我相信这将使我们能够快速地模拟这些化合物新的化合物几乎找到最好的食谱。”

参考:任Q,古普塔可,尹浩然,金。极端声子非简谐振动支撑超离子导体扩散和超低热导argyrodite Ag8SnSe6。Nat板牙。5月18日在线发表2023:1-8。doi:10.1038 / s41563 - 023 - 01560 - x

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