Гибкие кристаллические структуры обеспечивают твердые энергетические материалы

Гибкие кристаллические структуры обеспечивают твердые энергетические материалы: группа исследователей из Университета Дьюка и их сотрудники раскрыли атомные механизмы, которые делают класс соединений, называемых аргиродитами, привлекательными кандидатами как на электролиты твердотельных аккумуляторов, так и на термоэлектрические преобразователи энергии.

Открытия — и подход машинного обучения, используемый для их создания — могут помочь открыть новую эру хранения энергии для таких приложений, как бытовые аккумуляторные батареи и электромобили с быстрой зарядкой.

Результаты появились 18 мая в журнале Nature Materials.

«Это загадка, которую раньше никто не разгадал из-за того, насколько велик и сложен каждый строительный блок материала», — сказал Оливье Делэр, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка. «Мы выявили механизмы на атомном уровне, благодаря которым весь этот класс материалов становится горячей темой в области инноваций в области твердотельных батарей».

Поскольку мир движется к будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии, исследователи должны разрабатывать новые технологии для хранения и распределения энергии в домах и электромобилях. Хотя стандартом на данный момент является литий-ионный аккумулятор, содержащий жидкие электролиты, он далек от идеального решения, учитывая его относительно низкую эффективность и склонность жидкого электролита к периодическому возгоранию и взрыву.

«Мы выявили механизмы на атомном уровне, благодаря которым весь этот класс материалов становится горячей темой в области инноваций в области твердотельных батарей».

ОЛИВЬЕ ДЕЛЕР

Эти ограничения в первую очередь связаны с химически активными жидкими электролитами внутри литий-ионных аккумуляторов, которые позволяют ионам лития относительно беспрепятственно перемещаться между электродами. Хотя они отлично подходят для перемещения электрических зарядов, жидкий компонент делает их чувствительными к высоким температурам, которые могут вызвать деградацию и, в конечном итоге, неконтролируемую тепловую катастрофу.

Гибкие кристаллические структуры обеспечивают получение твердых энергетических материалов. Многие государственные и частные исследовательские лаборатории тратят много времени и денег на разработку альтернативных твердотельных батарей из различных материалов. При правильном проектировании этот подход предлагает гораздо более безопасное и стабильное устройство с более высокой плотностью энергии — по крайней мере, теоретически.

Хотя никто еще не нашел коммерчески жизнеспособного подхода к созданию твердотельных батарей, один из ведущих претендентов опирается на класс соединений, называемых аргиродитами, названных в честь минерала, содержащего серебро. Эти соединения построены из особых стабильных кристаллических каркасов, состоящих из двух элементов, при этом третий может свободно перемещаться по химической структуре. Хотя некоторые рецепты, такие как серебро, германий и сера, встречаются в природе, общая основа достаточно гибка, чтобы исследователи могли создавать широкий спектр комбинаций.

«Каждый производитель электромобилей пытается перейти на новые конструкции твердотельных аккумуляторов, но никто из них не раскрывает, на какой состав они делают ставку», — сказал Делэр. «Победа в этой гонке изменит правила игры, потому что автомобили смогут заряжаться быстрее, служить дольше и одновременно быть безопаснее».

В новой статье Делар и его коллеги рассматривают одного многообещающего кандидата из серебра, олова и селена (Ag8SnSe6). Используя комбинацию нейтронов и рентгеновских лучей, исследователи отразили эти чрезвычайно быстро движущиеся частицы от атомов в образцах Ag8SnSe6, чтобы выявить его молекулярное поведение в режиме реального времени. Член команды Маянак Гупта, бывший постдок в лаборатории Делара, а сейчас работающий исследователем в Центре атомных исследований Бхабхи в Индии, также разработал подход машинного обучения для осмысления данных и создал вычислительную модель для сопоставления наблюдений с использованием первых принципов. квантово-механическое моделирование.

«Каждый производитель электромобилей пытается перейти на новые конструкции твердотельных аккумуляторов, но никто из них не раскрывает, на какой состав они делают ставку. Победа в этой гонке изменит правила игры, потому что автомобили могут заряжаться быстрее, работать дольше и быть безопаснее. все вместе."