離子傳導(dǎo)是指離子在物質(zhì)內(nèi)部從一個位置移動到另一個位置。離子通過點狀缺陷，點狀缺陷是原子排列不均勻的一種現(xiàn)象，原子排列一致的情況稱為晶格。

這種緩慢的過程有時會限制燃料電池、電池和其他能源存儲技術(shù)的性能和效率。在確定固體材料哪些基本性能對改善這些應(yīng)用至關(guān)重要之前，研究人員必須更好地理解控制離子傳導(dǎo)的因素。為了追求這一知識，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的一個多學(xué)科團(tuán)隊開發(fā)了一個計算框架來處理和分析離子傳導(dǎo)固體的大型數(shù)據(jù)集。

研究人員使用了一個包含80多種不同組成的鈣鈦礦材料的數(shù)據(jù)集，主要集中于識別和優(yōu)化那些具有良好質(zhì)子傳導(dǎo)能力的材料。這些新材料能夠生產(chǎn)出更可靠、更高效的質(zhì)子傳導(dǎo)固體氧化物燃料電池：一種能將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能用于實際用途(如為汽車提供動力)的儲能設(shè)備，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理化學(xué)與材料化學(xué)》期刊上。ORNL納米材料科學(xué)中心(CNMS)首席研究員Panchapakesan Ganesh說：我們正在尋找更好的離子導(dǎo)電材料，因為在任何用于燃料電池或電池的固體電解質(zhì)中，離子移動得越快，設(shè)備的運行效率就越高。

現(xiàn)在有了一個理解，這將幫助我們?yōu)殚_發(fā)這種材料提出新的設(shè)計原則。研究小組研究材料包括一種已知速度最快的質(zhì)子導(dǎo)體，一種由釔(Y)取代鋯(Zr)形成的復(fù)合鋯鋇(BaZrO3)改進(jìn)型。釔是一種降低化合物總電荷以促進(jìn)質(zhì)子添加的元素。表現(xiàn)出這種行為的元素被稱為受體摻雜劑，所討論的材料通常被稱為摻鐿的BaZrO3，或Y-BZO。如果沒有泰坦(Titan)超級計算機(jī)的計算能力，系統(tǒng)地在短時間內(nèi)從鈣鈦礦數(shù)據(jù)集中篩選這么多候選是不可能的。泰坦是位于橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施(OLCF)的Cray XK7超級計算機(jī)。

通過使用多個代碼和一個名為wraprun的計算工具，OLCF工作人員幫助團(tuán)隊開發(fā)了一個針對Titan架構(gòu)優(yōu)化的自動化工作流。Ganesh說：我們與OLCF的工作人員緊密合作，建立了一個高度可伸縮的工作流，使我們能夠同時使用泰坦上的數(shù)千個內(nèi)核。這些模擬揭示了晶格畸變與質(zhì)子結(jié)合能(從鈣鈦礦材料中分離質(zhì)子所需的能量)之間的關(guān)系，可以使質(zhì)子更重、速度更慢，從而抑制質(zhì)子的最佳傳導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)有助于研究人員識別現(xiàn)有材料，并開發(fā)出能夠與Y-BZO競爭的新材料，移動離子與晶格畸變的耦合是離子傳導(dǎo)最重要的因素之一。

理解這種聯(lián)系意味著我們可以選擇性地設(shè)計出離子導(dǎo)電性更好的固體材料。除了這些結(jié)果對能源應(yīng)用的實際好處之外，該團(tuán)隊的新發(fā)現(xiàn)還為科學(xué)概念提供了基本的見解。在理解是什么限制了現(xiàn)有材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)的過程中，希望也能發(fā)現(xiàn)一些新物理現(xiàn)象，這都與潛在的原子機(jī)制有關(guān)。為了驗證計算結(jié)果，研究小組成員進(jìn)行了一系列互補(bǔ)實驗，包括脈沖激光沉積、掃描透射電鏡、時間分辨開爾文探針力顯微鏡、CNMS原子探針層析成像技術(shù)，以及散裂中子源(SNS)的中子散射。

CNMS、SNS和OLCF都是位于ORNL的能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，研究人員計劃將研究范圍擴(kuò)大到質(zhì)子和鈣鈦礦之外，以研究移動離子在其他種類材料中的行為。未來的發(fā)現(xiàn)可能會提高其他類型燃料電池以及鋰離子電池的性能。用于研究摻雜鈣鈦礦的計算框架可以應(yīng)用于其他類型的晶體無機(jī)固體，而這種大型缺陷數(shù)據(jù)集可用性使我們能夠利用ORNL在先進(jìn)人工智能技術(shù)方面的專長來加速材料發(fā)現(xiàn)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 美國能源部

參考期刊文獻(xiàn):《物理化學(xué)A》,《材料化學(xué)》,《物理化學(xué)C》

DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b08716

DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00502

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美