美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家與普渡大學(xué)和羅格斯大學(xué)研究人員合作，將材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)結(jié)合起來(lái)，研究一種很有前途的固體材料，這種固體材料可以導(dǎo)電鋰離子。從電池到大腦，離子或帶電原子在許多電子系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。

目前，主要的離子導(dǎo)電材料是液體和有機(jī)材料，而固體和無(wú)機(jī)離子導(dǎo)體的發(fā)展在能量轉(zhuǎn)換、生物工程和信息處理等方面具有廣闊應(yīng)用前景。在本研究中，鎳酸釤作為一種固體材料，在一定條件下可以快速運(yùn)輸鋰離子。

博科園-科學(xué)科普：其研究發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，研究表明，對(duì)于鎳酸釤，其分子結(jié)構(gòu)中的量子現(xiàn)象在更大范圍內(nèi)影響材料的性能，其不同尋常的結(jié)構(gòu)特征可以產(chǎn)生良好的電子性能。在早期的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，像質(zhì)子這樣的小離子可以非?？斓卮┻^(guò)釤鎳酸鹽材料。該研究的合作者、普渡大學(xué)(Purdue University)材料工程學(xué)教授施拉姆拉馬納坦(Shriram Ramanathan)說(shuō)：然后我們問(wèn)，如果把稍大一點(diǎn)的離子，比如鋰，插入到材料中會(huì)發(fā)生什么？

鋰離子在電池世界中扮演著重要角色：今天使用的許多電池依賴于鋰離子通過(guò)電解質(zhì)材料的運(yùn)輸來(lái)促進(jìn)電流流動(dòng)。阿爾貢物理學(xué)家華洲說(shuō)：由于釤鎳酸鹽在室溫下可以很容易地將鋰離子穿過(guò)晶格，它有可能被用作電池中的固態(tài)電解質(zhì)，這與我們所見(jiàn)過(guò)最好的固體鋰離子導(dǎo)體屬于同一類別。釤鎳酸鹽不僅能快速運(yùn)輸鋰，還能在電解液材料中顯示出理想的電阻水平。就其本身而言，釤鎳酸鹽的行為像金屬，允許電子自由地通過(guò)其晶格。然而，當(dāng)科學(xué)家將鋰離子插入材料中時(shí)，自由電子通過(guò)材料的能力降低了8個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種電阻使材料避免了經(jīng)常困擾其他常用液體電解質(zhì)的問(wèn)題，如不必要的能量損失和短路。阿貢納米材料中心的科學(xué)家Subramanian Sankaranarayanan說(shuō)：我們已經(jīng)確定了一種材料，它具有比液體電解質(zhì)更好的絕緣性能，如烷基碳酸鹽巖，這是目前電池中常用的，并且離子導(dǎo)電率對(duì)固體來(lái)說(shuō)很罕見(jiàn)。羅格斯大學(xué)研究員Michele Kotiuga說(shuō)：向系統(tǒng)中添加電子會(huì)使鎳酸鹽更加絕緣，這是一個(gè)相當(dāng)違反直覺(jué)的結(jié)果。Kotiuga進(jìn)行了第一次計(jì)算，以確定這種材料被引入鋰元素后電子結(jié)構(gòu)的變化。

有了這些計(jì)算，研究小組使用了通過(guò)先進(jìn)光子源(APS)、阿貢領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施(ALCF)和納米材料中心(CNM)等美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)備辦公室提供的獨(dú)特功能，以獲得導(dǎo)致這種行為機(jī)制的更詳細(xì)描述。該團(tuán)隊(duì)還利用了美國(guó)能源部布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的國(guó)家同步加速器光源ii。隨著科學(xué)家們逐漸加入鋰元素，APS用高強(qiáng)度x射線探測(cè)了釤鎳酸鹽。科學(xué)家們實(shí)時(shí)觀察了電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵是如何發(fā)展到原子長(zhǎng)度尺度的?？茖W(xué)家們還利用ALCF和CNM的高性能計(jì)算集群Carbon來(lái)模擬晶格中的離子運(yùn)動(dòng)。

ALCF科學(xué)主任凱瑟琳·賴?yán)f(shuō)：超級(jí)計(jì)算機(jī)正日益成為材料設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)中不可或缺的一部分，有了領(lǐng)導(dǎo)階層系統(tǒng)，研究人員可以以前所未有的細(xì)節(jié)水平探索材料，提供見(jiàn)解，最終可用于為目標(biāo)應(yīng)用量身定制新材料。利用ALCF的Mira超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究小組模擬了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，以預(yù)測(cè)鋰離子通過(guò)鎳酸鹽的途徑。Sankaranarayanan說(shuō)：計(jì)算這些路徑是對(duì)其他研究的一個(gè)重要補(bǔ)充，因?yàn)樗兄诮忉屛覀冇^察到的行為，可以利用這些知識(shí)在其他材料中重現(xiàn)和控制這些效果?？茖W(xué)家們計(jì)劃研究其他可能具有類似性質(zhì)的材料，以確定鎳酸釤可以傳導(dǎo)的其他離子。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?美國(guó)能源部/Savannah Mitchem

參考期刊文獻(xiàn):《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1805029115

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美