Bewegliche kristalline Strukturen liefern feste Energiematerialien

Biegsame kristalline Strukturen liefern feste Energiematerialien: Ein Forscherteam der Duke University und ihre Mitarbeiter haben die atomaren Mechanismen aufgedeckt, die eine Klasse von Verbindungen namens Argyrodite zu attraktiven Kandidaten sowohl für Festkörperbatterieelektrolyte als auch für thermoelektrische Energiewandler machen.

Die Entdeckungen – und der maschinelle Lernansatz, mit dem sie gemacht wurden – könnten dazu beitragen, eine neue Ära der Energiespeicherung für Anwendungen wie Haushaltsbatteriewände und schnell aufladende Elektrofahrzeuge einzuleiten.

Die Ergebnisse erschienen am 18. Mai online in der Zeitschrift Nature Materials.

„Dies ist ein Rätsel, das noch nie gelöst wurde, da jeder Baustein des Materials so groß und komplex ist“, sagte Olivier Delaire, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke. „Wir haben die Mechanismen auf atomarer Ebene herausgefunden, die dazu führen, dass diese gesamte Materialklasse ein heißes Thema im Bereich der Innovation von Festkörperbatterien ist.“

Während sich die Welt auf eine Zukunft zubewegt, die auf erneuerbaren Energien basiert, müssen Forscher neue Technologien für die Speicherung und Verteilung von Energie an Haushalte und Elektrofahrzeuge entwickeln. Obwohl der Standardträger bisher die Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigen Elektrolyten war, ist sie aufgrund ihres relativ geringen Wirkungsgrads und der Neigung des flüssigen Elektrolyten, gelegentlich Feuer zu fangen und zu explodieren, alles andere als eine ideale Lösung.

„Wir haben die Mechanismen auf atomarer Ebene herausgefunden, die dazu führen, dass diese gesamte Materialklasse ein heißes Thema im Bereich der Innovation von Festkörperbatterien ist.“

OLIVIER DELAIRE

Diese Einschränkungen sind in erster Linie auf die chemisch reaktiven flüssigen Elektrolyte in Li-Ionen-Batterien zurückzuführen, die es Lithiumionen ermöglichen, sich relativ ungehindert zwischen den Elektroden zu bewegen. Obwohl sie sich hervorragend zum Bewegen elektrischer Ladungen eignen, sind sie aufgrund der flüssigen Komponente empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, die zu einer Verschlechterung und schließlich zu einer außer Kontrolle geratenen thermischen Katastrophe führen können.

Biegsame kristalline Strukturen liefern feste Energiematerialien: Viele öffentliche und private Forschungslabore investieren viel Zeit und Geld in die Entwicklung alternativer Festkörperbatterien aus einer Vielzahl von Materialien. Bei richtiger Technik bietet dieser Ansatz ein viel sichereres und stabileres Gerät mit einer höheren Energiedichte – zumindest theoretisch.

Während noch niemand einen kommerziell realisierbaren Ansatz für Festkörperbatterien entdeckt hat, verlässt sich einer der führenden Konkurrenten auf eine Klasse von Verbindungen namens Argyrodite, benannt nach einem silberhaltigen Mineral. Diese Verbindungen bestehen aus spezifischen, stabilen kristallinen Gerüsten, die aus zwei Elementen bestehen, wobei sich ein drittes frei in der chemischen Struktur bewegen kann. Während einige Rezepturen wie Silber, Germanium und Schwefel natürlich vorkommen, ist der allgemeine Rahmen flexibel genug, damit Forscher eine breite Palette von Kombinationen erstellen können.

„Jeder Hersteller von Elektrofahrzeugen versucht, auf neue Festkörperbatteriedesigns umzusteigen, aber keiner von ihnen gibt bekannt, auf welche Zusammensetzungen er setzt“, sagte Delaire. „Dieses Rennen zu gewinnen, würde das Spiel verändern, weil Autos schneller aufgeladen werden könnten, länger halten und gleichzeitig sicherer wären.“

In der neuen Arbeit betrachten Delaire und seine Kollegen einen vielversprechenden Kandidaten aus Silber, Zinn und Selen (Ag8SnSe6). Mit einer Kombination aus Neutronen und Röntgenstrahlen ließen die Forscher diese sich extrem schnell bewegenden Teilchen von Atomen in Proben von Ag8SnSe6 abprallen, um ihr molekulares Verhalten in Echtzeit aufzudecken. Teammitglied Mayanak Gupta, ein ehemaliger Postdoktorand in Delaires Labor, der jetzt Forscher am Bhabha Atomic Research Center in Indien ist, entwickelte ebenfalls einen maschinellen Lernansatz, um die Daten zu verstehen, und erstellte ein Rechenmodell, um die Beobachtungen nach dem First-Principe-Prinzip abzugleichen Quantenmechanische Simulationen.

„Jeder Hersteller von Elektrofahrzeugen versucht, auf neue Festkörperbatteriedesigns umzusteigen, aber keiner von ihnen gibt bekannt, auf welche Zusammensetzung er setzt. Dieses Rennen zu gewinnen, wäre ein entscheidender Faktor, da Autos schneller aufgeladen werden könnten, länger halten und sicherer wären.“ alles auf einmal."

OLIVIER DELAIRE

Die Ergebnisse zeigten, dass die Zinn- und Selenatome zwar ein relativ stabiles Gerüst bildeten, dieses jedoch alles andere als statisch war. Die kristalline Struktur biegt sich ständig, um Fenster und Kanäle zu schaffen, durch die sich die geladenen Silberionen frei durch das Material bewegen können. Das System, sagte Delaire, ist so, als ob die Zinn- und Selengitter fest bleiben, während sich das Silber in einem fast flüssigkeitsähnlichen Zustand befindet.

„Es ist so, als wären die Silberatome Murmeln, die auf dem Boden eines sehr flachen Brunnens herumrasseln und sich bewegen, als wäre das kristalline Gerüst nicht fest“, sagte Delaire. „Diese Dualität eines Materials, das zwischen einem flüssigen und einem festen Zustand lebt, hat mich am meisten überrascht.“

Die Ergebnisse und, was vielleicht noch wichtiger ist, der Ansatz, der fortschrittliche experimentelle Spektroskopie mit maschinellem Lernen kombiniert, sollten Forschern helfen, schnellere Fortschritte beim Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien in vielen wichtigen Anwendungen zu erzielen. Laut Delaire ist diese Studie nur eines aus einer Reihe von Projekten, die auf eine Vielzahl vielversprechender Argyrodit-Verbindungen mit unterschiedlichen Rezepturen abzielen. Eine Kombination, die Silber durch Lithium ersetzt, ist für die Gruppe angesichts ihres Potenzials für Elektrofahrzeugbatterien von besonderem Interesse.

Biegsame kristalline Strukturen liefern feste Energiematerialien: „Viele dieser Materialien bieten eine sehr schnelle Leitfähigkeit für Batterien und sind gleichzeitig gute Wärmeisolatoren für thermoelektrische Wandler. Deshalb untersuchen wir systematisch die gesamte Verbindungsfamilie“, sagte Delaire. „Diese Studie dient als Benchmark für unseren Ansatz des maschinellen Lernens, der uns in nur wenigen Jahren zu enormen Fortschritten bei der Simulation dieser Materialien verholfen hat. Ich bin davon überzeugt, dass wir dadurch neue Verbindungen schnell virtuell simulieren können, um die besten Rezepturen für diese Verbindungen zu finden.“ Angebot."

„Diese Studie dient als Benchmark für unseren Ansatz des maschinellen Lernens, der uns in nur wenigen Jahren zu enormen Fortschritten bei der Simulation dieser Materialien verholfen hat. Ich bin davon überzeugt, dass wir dadurch neue Verbindungen schnell virtuell simulieren können, um die besten Rezepturen für diese Verbindungen zu finden.“ Angebot."

OLIVIER DELAIRE

Für Delaire ist es auch wichtig, wie „familienorientiert“ dieses laufende Projekt war, da es viele seiner aktuellen und ehemaligen Laborkollegen umfasst, die als Teil seiner „akademischen Familie“ gelten.

Neben dem zuvor erwähnten Gupta, der einst Postdoktorand in Delaires Labor war, war Jie Ma, der letzte korrespondierende Autor der Arbeit, Delaires erster Postdoktorand, als er Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory war. Ma war sehr erfolgreich und wurde Professorin für Physik an der Shanghai Jiao Tong University in China. Und Jingxuan Ding, ein ehemaliger Doktorand von Delaire, der letzten Sommer seinen Abschluss machte, ist jetzt Postdoktorand an der Harvard University und unterstützte ebenfalls die Analyse und Modellierung.

Diese Arbeit wurde von der Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2021B1515140014), der National Natural Science Foundation of China (52101236, U1732154, T2125008, 52272006), dem Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Science (E15154U110) unterstützt Offenes Projekt des Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control (2021-05), der US National Science Foundation (DMR-2119273), des „Shuguang Program“ der Shanghai Education Development Foundation und der Shanghai Municipal Education Commission, des Australia Research Council ( DP210101436).

ZITIERUNG: „Extreme Phononen-Anharmonizität untermauert superionische Diffusion und extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit in Argyrodit Ag8SnSe6“ Qingyong Ren, Mayanak K. Gupta, Min Jin, Jingxuan Ding, Jiangtao Wu, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Oscar Fabelo, Jose Alberto Rodriguez-Velamazan, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Marcell Wolf, Fengfeng Zhu, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng, Guohua Wang, Xin Tong, Yanzhong Pei, Oliver Delaire, Jie Ma. Nature Materials, 18. Mai 2023. doi:10.1038/s41563-023-01560-x

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