弯曲的晶体结构为坚实的能源未来提供了途径

杜克大学的一组研究人员及其合作者发现了使一类称为亚银石的化合物成为固态电池电解质和热电能量转换器有吸引力的候选者的原子机制。

这些发现——以及用于制造它们的机器学习方法——可能有助于开创家用电池墙和快速充电电动汽车等应用的储能新时代。

结果于 5 月 18 日在线发表在《自然材料》杂志上。

杜克大学机械工程和材料科学副教授 Olivier Delaire 说：“这是一个以前没有被破解过的谜题，因为材料的每个构建块都很大很复杂。” “我们已经在原子层面梳理出导致这类材料成为固态电池创新领域热门话题的机制。”

随着世界朝着建立在可再生能源基础上的未来迈进，研究人员必须开发新技术来存储能源并将其分配给家庭和电动汽车。虽然在这一点上的标准承担者是含有液体电解质的锂离子电池，但由于其效率相对较低，而且液体电解质偶尔会着火和爆炸，因此它远非理想的解决方案。

这些限制主要源于锂离子电池内部的化学反应性液体电解质，它允许锂离子在电极之间相对不受阻碍地移动。虽然非常适合移动电荷，但液体成分使它们对高温敏感，高温会导致降解，并最终导致失控的热灾难。

许多公共和私人研究实验室都在花费大量时间和金钱，用各种材料开发替代固态电池。如果设计得当，这种方法可以提供一种更安全、更稳定、能量密度更高的设备——至少在理论上是这样。

虽然还没有人发现一种商业上可行的固态电池方法，但其中一个主要竞争者依赖于一类称为银锰矿的化合物，以含银矿物命名。这些化合物是由特定的、稳定的晶体框架构成的，该晶体框架由两种元素组成，第三种元素可以在化学结构中自由移动。虽然银、锗和硫等一些配方是天然存在的，但总体框架足够灵活，研究人员可以创建各种组合。

“每个电动汽车制造商都在尝试转向新的固态电池设计，但他们都没有透露他们押注的成分，”Delaire 说。“赢得那场比赛将改变游戏规则，因为汽车可以同时充电更快、续航时间更长并且更安全。”

在这篇新论文中，德莱尔和他的同事们研究了一种由银、锡和硒 (Ag 8 SnSe 6 ) 制成的有前途的候选材料。研究人员结合使用中子和 X 射线，将这些极快移动的粒子从 Ag 8 SnSe 6样品中的原子中弹开，以实时揭示其分子行为。团队成员 Mayanak Gupta 曾是 Delaire 实验室的博士后，现在是印度 Bhabha 原子研究中心的研究员，他还开发了一种机器学习方法来理解数据，并创建了一个计算模型来使用第一性原理来匹配观察结果量子力学模拟。

结果表明，虽然锡和硒原子形成了一个相对稳定的支架，但它远非静态。晶体结构不断弯曲，为带电银离子在材料中自由移动创造窗口和通道。德莱尔说，该系统就像锡和硒晶格保持固态，而银处于几乎液态的状态。

“这有点像银原子是弹珠，在一口很浅的井的底部发出嘎嘎声，四处移动，就像不坚固的晶体支架一样，”Delaire 说。“一种介于液态和固态之间的材料的双重性是我发现最令人惊讶的地方。”

结果，或许更重要的是，将先进的实验光谱学与机器学习相结合的方法，应该可以帮助研究人员在许多关键应用中取代锂离子电池方面取得更快的进展。根据德莱尔的说法，这项研究只是一系列项目中的一个，这些项目旨在开发包含不同配方的各种有前途的银锰矿化合物。鉴于其在 EV 电池方面的潜力，该小组特别感兴趣的是一种用锂替代银的组合。

“其中许多材料为电池提供了非常快速的传导，同时也是热电转换器的良好绝热体，因此我们正在系统地研究整个化合物家族，”Delaire 说。“这项研究用于对我们的机器学习方法进行基准测试，该方法使我们在短短几年内模拟这些材料的能力取得了巨大进步。我相信这将使我们能够以虚拟方式快速模拟新化合物，以找到这些化合物必须提供的最佳配方。”