Группа исследователей из Университета Дьюка и их сотрудники раскрыли атомные механизмы, которые делают класс соединений, называемых аргиродитами, привлекательными кандидатами как для электролитов твердотельных батарей, так и для термоэлектрических преобразователей энергии.
Открытия и подход к машинному обучению, использованный для их создания, могут помочь открыть новую эру накопления энергии для таких приложений, как бытовые аккумуляторные стены и быстрозаряжаемые электромобили.
Результаты появились онлайн 18 мая в журнале Nature Materials.
«Это загадка, которую раньше не разгадывали из-за того, насколько большим и сложным является каждый строительный блок материала», — сказал Оливье Делэр, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Университета Дьюка. «Мы выявили механизмы на атомном уровне , благодаря которым весь этот класс материалов стал горячей темой в области инноваций в области твердотельных аккумуляторов».
По мере того, как мир движется к будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии, исследователи должны разрабатывать новые технологии для хранения и распределения энергии в домах и электромобилях. Хотя эталоном до сих пор была литий-ионная батарея , содержащая жидкие электролиты, она далека от идеального решения, учитывая ее относительно низкую эффективность и способность жидкого электролита время от времени возгораться и взрываться.
Эти ограничения связаны, прежде всего, с химически активными жидкими электролитами внутри литий-ионных аккумуляторов, которые позволяют ионам лития относительно свободно перемещаться между электродами. Хотя жидкий компонент отлично подходит для перемещения электрических зарядов, он делает их чувствительными к высоким температурам, которые могут вызвать деградацию и, в конечном итоге, безудержную тепловую катастрофу.
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, в теории.
Хотя никто еще не нашел коммерчески жизнеспособного подхода к твердотельным батареям, один из ведущих претендентов опирается на класс соединений, называемых аргиродитами, названными в честь минерала, содержащего серебро. Эти соединения построены из специфических, стабильных кристаллических каркасов, состоящих из двух элементов, а третий свободно перемещается по химической структуре. Хотя некоторые рецепты, такие как серебро, германий и сера, встречаются в природе, общая схема достаточно гибкая, чтобы исследователи могли создавать широкий спектр комбинаций.
«Каждый производитель электромобилей пытается перейти на новые конструкции твердотельных аккумуляторов, но ни один из них не раскрывает, на какие составы 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 Делэр и его коллеги рассматривают одного многообещающего кандидата из серебра, олова и селена (Ag 8 SnSe 6 ). Используя комбинацию нейтронов и рентгеновских лучей, исследователи отразили эти чрезвычайно быстро движущиеся частицы от атомов в образцах Ag 8 SnSe 6 , чтобы выявить его молекулярное поведение в режиме реального времени. Член команды Маянак Гупта, бывший постдоктор в лаборатории Делайра, а ныне научный сотрудник Центра атомных исследований Бхабха в Индии, также разработал подход машинного обучения для осмысления данных и создал вычислительную модель для сопоставления наблюдений с использованием первых принципов . квантово-механическое моделирование.
Результаты показали, что, хотя атомы олова и селена создают относительно стабильные леса, они далеки от статичности. Кристаллическая структура постоянно изгибается, создавая окна и каналы для свободного перемещения заряженных ионов серебра через материал. Система, по словам Делэра, похожа на то, что решетки олова и селена остаются твердыми, в то время как серебро находится в почти жидком состоянии.
«Это похоже на то, как атомы серебра — это шарики, которые гремят на дне очень неглубокого колодца, двигаясь так, как будто кристаллический каркас не является твердым», — сказал Делэр. «Эта двойственность материала, находящегося между жидким и твердым состоянием, — это то, что я нашел самым удивительным».
Результаты и, что, возможно, более важно, подход, сочетающий расширенную экспериментальную спектроскопию с машинным обучением, должны помочь исследователям быстрее добиться замены литий-ионных батарей во многих важных приложениях. По словам Делэра, это исследование является лишь одним из ряда проектов, направленных на множество многообещающих соединений аргиродита, включающих различные рецепты. Одна комбинация, которая заменяет серебро литием, представляет особый интерес для группы, учитывая ее потенциал для аккумуляторов электромобилей.
«Многие из этих материалов обеспечивают очень быструю проводимость для батарей и являются хорошими теплоизоляторами для термоэлектрических преобразователей, поэтому мы систематически изучаем все семейство соединений», — сказал Делэр. «Это исследование служит для оценки нашего подхода к машинному обучению , который позволил нам добиться огромных успехов в моделировании этих материалов всего за пару лет. Я считаю, что это позволит нам быстро моделировать новые соединения виртуально, чтобы найти лучшие рецепты, которые должны быть созданы для этих соединений.»