Разработва се твърд електролитен материал от гъвкави кристали за нов тип батерии

Подходът на машинното обучение разкрива възможности за опознаване на цял клас материали, които се търсят за твърдотелни батерии

Ваня Милева Последна промяна на 25 май 2023 в 00:01 4111 0

хибридната кристално-течна атомна структура в суперйонната фаза

Кредит Olivier Delaire, Duke University

Илюстрация на хибридната кристално-течна атомна структура в суперйонната фаза на Ag8SnSe6 - материал, който е много обещаващ за търговски твърдотелни батерии. Подобните на тръба нишки показват подобно на течност разпределение на сребърните йони, протичащи през кристалното скеле от атоми на калай и селен (синьо и оранжево).

Екип изследователи от Университета Дюк и техните сътрудници са разкрили атомните механизми, които правят клас съединения, наречени аргиродити, привлекателни кандидати както за електролити в твърдо състояние на батерии, така и за преобразуватели на термоелектрическа енергия.

Откритията - и подходът на машинно обучение, използван за тяхното създаване - биха могли да помогнат за началото на нова ера на съхранение на енергия за приложения като битови батерии и бързо зареждащи се за електромобили.

Резултатите са публикувани в списанието Nature Materials.

Докато светът се движи към бъдеще, изградено върху възобновяема енергия, изследователите трябва да разработят нови технологии за съхранение и разпределение на енергия в домовете и електрическите превозни средства. Въпреки че стандартният носител до този момент е литиево-йонната батерия, съдържаща течни електролити, тя далеч не е идеалното решение предвид относително ниската й ефективност и афинитета на течния електролит да се запалва и експлодира от време на време.

Тези ограничения произтичат основно от химически реактивните течни електролити в литиево-йонните батерии, които позволяват на литиевите йони да се движат относително безпроблемно между електродите. Въпреки че е ефективен за преместване на електрически заряди, течният компонент ги прави чувствителни към високи температури, които могат да причинят разграждане и в крайна сметка до топлинна авария.

Много публични и частни изследователски лаборатории се опитват да разработят алтернативни твърдотелни батерии от различни материали. Ако е проектиран правилно, този подход предлага много по-безопасно и по-стабилно устройство с по-висока енергийна плътност - поне на теория.

Никой все още не е открил икономически изгоден подход към твърдотелните батерии, но един от водещите претенденти разчита на клас съединения, наречени аргиродити, кръстени на минерал, съдържащ сребро. Тези съединения са изградени от специфични, стабилни кристални решетки, направени от два елемента, като третият е свободен да се движи около химическата структура. Някои рецепти като сребро, германий и сяра се срещат в природата, общата решетка е достатъчно гъвкава, за да могат изследователите да създават широк набор от комбинации.

„Всеки производител на електрически превозни средства се опитва да премине към нови дизайни на твърдотелни батерии, но никой от тях не разкрива на кои композиции залагат“, коментира Оливие Делер (Olivier Delaire), доцент по машинно инженерство и наука за материалите в Дюк и водещ автор.

„Спечелването на това състезание би променило играта, защото колите могат да се зареждат по-бързо, да издържат по-дълго и да бъдат по-безопасни едновременно.“

В новата статия Делер и колегите му разглеждат един обещаващ кандидат, направен от сребро, калай и селен (Ag8SnSe6). Използвайки комбинация от неутрони и рентгенови лъчи, изследователите разкриват молекулярното  поведение проби от Ag8SnSe6 в реално време. Данните са осмислени е помощта на разработен от екипа подход за машинно обучение, и е създаден изчислителен модел, който да съответства на наблюденията, използвайки квантово-механични симулации.

Резултатите показват, че докато атомите на калай и селен създават относително стабилна решетка, тя далеч не е статична. Кристалната структура постоянно се огъва, за да създаде прозорци и канали за свободното движение на заредените сребърни йони през материала. Изглежда, че решетката от калай и селен остава твърда, докато среброто е в почти течно състояние, обяснява Делер.

„Нещо като сребърните атоми са като топчета, търкалящи се около дъното на много плитък кладенец, движещи се сякаш кристалното скеле не е твърдо“, разказва Делер. „Тази двойственост на материал между течно и твърдо състояние, е това, което намерих за най-изненадващо.“

Резултатите и, може би по-важното, подходът, комбиниращ усъвършенствана експериментална спектроскопия с машинно обучение, трябва да помогнат на изследователите да постигнат по-бърз напредък към замяната на литиево-йонните батерии в много важни приложения. Според Делер това проучване е само едно от набор от проекти, насочени към различни обещаващи аргиродитни съединения, включващи различни рецепти. Една комбинация, която замества среброто с литий, е от особен интерес за екипа, като се има предвид нейният потенциал за EV батерии.

„Много от тези материали предлагат много бърза проводимост за батерии, като същевременно са добри топлоизолатори за термоелектрически преобразуватели, така че систематично разглеждаме цялото семейство от съединения“, отбелязва Делер. „Това проучване служи за сравняване на нашия подход за машинно обучение, който позволи огромен напредък в способността ни да симулираме тези материали само за няколко години. Вярвам, че това ще ни позволи бързо да симулираме нови съединения виртуално, за да намерим най-добрите рецепти, които тези съединения могат да предложат."

Справка: Ren, Q., Gupta, M.K., Jin, M. et al. Extreme phonon anharmonicity underpins superionic diffusion and ultralow thermal conductivity in argyrodite Ag8SnSe6. Nat. Mater. (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01560-x

Източник: 

Flexing crystalline structures provide path to a solid energy future, DUKE UNIVERSITY

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !