Overionisk ledning ved stuetemperatur opnået ved brug af pseudorotation af hydridkomplekser

Der er i øjeblikket en stor efterspørgsel efter at erstatte organiske flydende elektrolytter, der bruges i konventionelle genopladelige batterier, med solid-state ioniske ledere, som vil gøre batterierne mere sikre og have højere energitæthed.

Til det formål, mange kræfter er blevet brugt på at finde materialer med overlegen ionisk ledningsevne. Blandt de mest lovende, er solid-state ioniske ledere, der indeholder polyanioner såsom B ₁₂ H ₁₂ ^2- (fig. la). De udgør en særlig klasse af materialer på grund af deres unikke transportadfærd, hvor polyanionerne roterer ved forhøjet temperatur, derved i høj grad fremme kationledningsevnen.

Imidlertid, en stor ulempe er den høje temperatur (=energi), der kræves for at aktivere rotationen, hvilket omvendt betyder lave ledningsevner ved stuetemperatur.

For at løse det problem, en forskergruppe ved Tohoku University, ledet af lektor Shigeyuki Takagi og professor Shin-ichi Orimo, har etableret et nyt princip for superionisk ledning ved stuetemperatur. Dens resultater blev for nylig offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver .

Forskergruppen var i stand til at reducere aktiveringstemperaturen ved at bruge overgangsmetalhydridkomplekser som en ny klasse af roterbare polyanioner, hvor hydrogen er den eneste ligandart, kovalent binding til enkeltovergangsmetaller. I modsætning til i B ₁₂ H ₁₂ ^2- polyanioner (fig. 1a), rotationen af ​​overgangsmetalhydridkomplekser kræver kun forskydninger af meget mobilt hydrogen (fig. 1b, 1c) og kan derfor forventes at forekomme med lav aktiveringsenergi.

Gruppen studerede derefter dynamikken i overgangsmetalhydridkomplekser i flere eksisterende hydrider, og fandt dem reorienteret - som om de roterede ved at gentage små deformationer (fig. 2) - selv ved stuetemperatur.

Denne form for bevægelse er kendt som "pseudorotation, " og er sjældent observeret i fast stof. På grund af de små forskydninger af brintatomer, aktiveringsenergien af ​​pseudorotationen er relativt lav - mere end 40 gange lavere end hvad der angiveligt er nødvendigt for rotationen af ​​B ₁₂ H ₁₂ ^2- .

Som et resultat af en kationledning, der fremmes fra et lavtemperaturområde ved pseudorotation, lithium ion ledningsevnen i Li ₅ MoH ₁₁ indeholdende MoH ₉ ^3- (fig. 1b), for eksempel, kan nå 79 mS cm ^-1 ved stuetemperatur (fig. 3). Dette er mere end tre gange verdensrekorden for stuetemperatur lithium-ion-ledningsevne, der hidtil er rapporteret. Dette tyder på, at et all-solid-state lithium-ion-batteri med kortere opladningstid ved stuetemperatur kan realiseres.

Den opdagede mekanisme er ret generel og ville være nyttig til at sænke den temperatur, der kræves for at aktivere rotationen af ​​polyanioner. Dette kan positivt bidrage til at finde sammensætninger, der er modtagelige for superioniske ledere ved stuetemperatur.