Lithium-ioner strømmer gennem fast materiale

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbejde med forskere fra Purdue University og Rutgers University, har fusioneret materialevidenskab og kondenseret stoffysik i en undersøgelse af et lovende fast materiale, der leder lithiumioner.

Transport af ioner, eller ladede atomer, gennem materialer spiller en afgørende rolle i mange elektriske systemer - fra batterier til hjerner. I øjeblikket, de førende ionledende materialer er flydende og organiske, men udviklingen af ​​faste og uorganiske ionledere kunne have brede anvendelser i energiomdannelse, bioteknik og informationsbehandling.

I dette studie, samarium nikkelat, et materiale, der også er et fast stof, viste sig hurtigt at transportere lithiumioner under visse forhold. Undersøgelsen blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Undersøgelsen rapporterede, at for samarium nikkelat, kvantefænomenerne i spil inden for dets molekylære struktur påvirker materialets egenskaber i større skala, og dets usædvanlige strukturelle egenskaber kan give gunstige elektroniske egenskaber.

I en tidligere undersøgelse, forskerne opdagede, at små ioner, som protoner, kunne bevæge sig gennem samarium nikkelatmaterialet meget hurtigt. "Så spurgte vi, hvad der ville ske, hvis vi indsatte lidt større ioner, som lithium, ind i materialet, " sagde Shriram Ramanathan, medforfatter til undersøgelsen og professor i materialeteknik ved Purdue University.

Lithium-ioner spiller en vigtig rolle i batteriverdenen:mange batterier, der bruges i dag, er afhængige af transporten af ​​lithium-ioner gennem et elektrolytmateriale for at lette strømmen af ​​elektrisk strøm.

"Fordi samariumnikkelat let kan skubbe lithiumioner gennem dets gitter ved stuetemperatur, det har potentiale til at blive brugt som en faststofelektrolyt i et batteri, " sagde Hua Zhou, en argonne-fysiker. "Dette falder i samme kategori som de bedste solide lithium-ion-ledere, vi har set."

Ikke alene transporterer samarium nikkelat hurtigt lithium, det viser også et niveau af elektrisk modstand, som er ønskeligt i elektrolytmaterialer. På egen hånd, samarium nikkelat opfører sig som et metal, lader elektroner frit passere gennem dets krystalgitter. Imidlertid, når videnskabsmænd indsætter lithium-ioner i materialet, frie elektroners evne til at passere igennem er reduceret med otte størrelsesordener. Denne modstand gør det muligt for materialet at undgå problemer, der ofte plager andre flydende elektrolytter, som er almindeligt anvendt, såsom unødvendigt energitab og kortslutning.

"Vi har identificeret et materiale, der har bedre isolerende egenskaber end flydende elektrolytter såsom alkylcarbonater, som er almindeligt anvendt i nuværende batterier, og ionledningsevne sjælden for et fast stof, " sagde Subramanian Sankaranarayanan, videnskabsmand ved Argonne's Center for Nanoscale Materials.

"Det er et ret kontraintuitivt resultat, at tilføjelse af elektroner til systemet gør nikkelatet mere isolerende, " sagde Rutgers University-forsker Michele Kotiuga.

Kotiuga udførte de første beregninger for at bestemme, hvordan materialets elektroniske struktur ændres, når det introduceres til lithium.

Med disse beregninger i hånden, holdet brugte derefter funktioner, der blev tilbudt gennem Argonnes unikke suite af DOE Office of Science User Facilities - Advanced Photon Source (APS), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) og Center for Nanoscale Materials (CNM) - for at få en mere detaljeret beskrivelse af de mekanismer, der forårsager adfærden. Holdet gjorde også brug af National Synchrotron Light Source-II, en DOE Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory.

APS'en undersøgte samariumnikkelatet ved hjælp af højintensive røntgenstråler, efterhånden som videnskabsmænd gradvist tilføjede lithium. I realtid, forskerne så, hvordan den elektroniske struktur og kemiske binding udviklede sig ned til atomlængdeskalaen.

Forskerne brugte også ALCF og Carbon, en højtydende computerklynge hos CNM, at simulere ionisk bevægelse i gitteret.

"Supercomputere bliver en stadig mere integreret del af materialedesign og opdagelse, " sagde ALCF direktør for videnskab Katherine Riley. "Med vores lederskabsklassesystemer, forskere kan udforske materialer på et hidtil uset detaljeringsniveau, giver indsigt, der i sidste ende kan bruges til at skræddersy nye materialer til målrettede applikationer."

Ved at bruge ALCF's Mira supercomputer, holdet modellerede systemets dynamik for at forudsige, hvilke veje lithium-ionerne kunne tage gennem nikkelatet.

"Beregning af stierne var et vigtigt supplement til resten af ​​forskningen, fordi det hjælper med at forklare den adfærd, vi observerede, " sagde Sankaranarayanan. "Vi kan bruge denne viden til at genskabe og kontrollere disse effekter i andre materialer."

Forskerne planlægger at studere andre materialer, der kan vise lignende egenskaber for at identificere andre ioner, som samariumnikkelat kan lede.