Et supermateriale, der kan anvendes til batterier og andre energikonverteringsenheder

En ikke-planlagt opdagelse kan føre til fremtidige afgørende opdagelser inden for batterier, brændstofceller, enheder til omdannelse af varme til elektricitet med mere.

Forskere udfører normalt deres forskning ved omhyggeligt at udvælge et forskningsproblem, udtænke en passende plan for at løse det og eksekvere denne plan. Men uplanlagte opdagelser kan ske undervejs.

Mercouri Kanatzidis, professor ved Northwestern University med en fælles ansættelse i det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, ledte efter en ny superleder med ukonventionel adfærd, da han gjorde en uventet opdagelse. Det var et materiale, der kun er fire atomer tykt og giver mulighed for at studere bevægelsen af ​​ladede partikler i kun to dimensioner. Sådanne undersøgelser kan anspore opfindelsen af ​​nye materialer til en række forskellige energikonverteringsenheder.

"Vores analyseresultater viste, at før denne overgang, sølvionerne blev fikseret i det lukkede rum inden for de to dimensioner af vores materiale, men efter denne overgang, de vrikkede rundt, " siger Mercouri Kanatzidis, fælles aftale med Argonne og Northwestern University

Kanatzidis' målmateriale var en kombination af sølv, kalium og selen (α-KAg ₃ Se ₂ ) i en fire-lags struktur som en bryllupskage. Disse 2D-materialer har længde og bredde, men næsten ingen tykkelse på kun fire atomer høje.

Superledende materialer mister al modstand mod elektronernes bevægelse, når de afkøles til meget lave temperaturer. "Til min store skuffelse, dette materiale var slet ikke en superleder, og vi kunne ikke gøre det til en, " sagde Kanatzidis, som er seniorforsker i Argonnes Materials Science Division (MSD). "Men til min store overraskelse, det viste sig at være et fantastisk eksempel på en superionisk dirigent."

I superioniske ledere, de ladede ioner i et fast materiale strejfer omtrent lige så frit som i de flydende elektrolytter, der findes i batterier. Dette resulterer i et fast stof med usædvanlig høj ionisk ledningsevne, et mål for evnen til at lede elektricitet. Med denne høje ioniske ledningsevne kommer lav varmeledningsevne, hvilket betyder, at varme ikke let passerer igennem. Begge disse egenskaber gør superioniske ledere til supermaterialer til energilagrings- og konverteringsenheder.

Holdets første fingerpeg om, at de havde opdaget et materiale med særlige egenskaber, var, da de varmede det op til mellem 450 og 600 grader Fahrenheit. Det gik over i en mere symmetrisk lagdelt struktur. Holdet fandt også, at denne overgang var reversibel, når de sænkede temperaturen, hævede det derefter igen til højtemperaturzonen.

"Vores analyseresultater viste, at før denne overgang, sølvionerne blev fikseret i det lukkede rum inden for de to dimensioner af vores materiale, sagde Kanatzidis. Men efter denne overgang, de vrikkede rundt." Mens meget er kendt om, hvordan ioner bevæger sig i tre dimensioner, meget lidt er kendt om, hvordan de gør det i kun to dimensioner.

Forskere har i nogen tid ledt efter et eksemplarisk materiale til at undersøge ionbevægelse i 2D-materialer. Dette lagdelte kalium-sølv-selenmateriale ser ud til at være ét. Holdet målte, hvordan ionerne diffunderede i dette faste stof og fandt, at det svarede til en elektrolyt med stærkt saltet vand, en af ​​de hurtigste kendte ioniske ledere.

Selvom det er for tidligt at sige, om dette særlige superioniske materiale kan finde praktisk anvendelse, det kunne umiddelbart tjene som en afgørende platform til at designe andre 2D-materialer med høj ionisk ledningsevne og lav termisk ledningsevne.

"Disse egenskaber er meget vigtige for dem, der designer nye todimensionelle faste elektrolytter til batterier og brændselsceller, " sagde Duck Young Chung, ledende materialeforsker i MSD.

Undersøgelser med dette superioniske materiale kunne også være medvirkende til at designe nye termoelektriske stoffer, der omdanner varme til elektricitet i kraftværker, industrielle processer og endda udstødningsgas fra bilemissioner. Og sådanne undersøgelser kunne bruges til at designe membraner til miljøoprensning og afsaltning af vand.

Denne undersøgelse dukkede op i en Naturmaterialer .