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    两学科结合,研究出很有价值的固体材料!

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      美国能源部阿贡国家实验室的科学家与普渡大学和罗格斯大学研究人员合作,将材料科学和凝聚态物理学结合起来,研究一种很有前途的固体材料,这种固体材料可以导电锂离子。从电池到大脑,离子或带电原子在许多电子系统中扮演着至关重要的角色。

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      目前,主要的离子导电材料是液体和有机材料,而固体和无机离子导体的发展在能量转换、生物工程和信息处理等方面具有广阔应用前景。在本研究中,镍酸钐作为一种固体材料,在一定条件下可以快速运输锂离子。

      两学科结合,研究出很有价值的固体材料!

      博科园-科学科普:其研究发表在《美国国家科学院院刊》上,研究表明,对于镍酸钐,其分子结构中的量子现象在更大范围内影响材料的性能,其不同寻常的结构特征可以产生良好的电子性能。在早期的一项研究中,科学家们发现,像质子这样的小离子可以非常快地穿过钐镍酸盐材料。该研究的合作者、普渡大学(Purdue University)材料工程学教授施拉姆拉马纳坦(Shriram Ramanathan)说:然后我们问,如果把稍大一点的离子,比如锂,插入到材料中会发生什么?

      两学科结合,研究出很有价值的固体材料!

      • 锂离子在一种叫做钐镍酸钙的强相关钙钛矿晶格内迅速扩散。量子计算表明,这种快速穿梭的发生是由于锂离子(以紫色球体表示)在相邻四面体位置(紫色虚线圆圈)之间跳跃时所产生的低热力学势垒。钐、镍和氧分别显示为黄色、绿色和红色球体,而NiO6八面体则用绿色突出显示。图片:Argonne National Laboratory

      锂离子在电池世界中扮演着重要角色:今天使用的许多电池依赖于锂离子通过电解质材料的运输来促进电流流动。阿尔贡物理学家华洲说:由于钐镍酸盐在室温下可以很容易地将锂离子穿过晶格,它有可能被用作电池中的固态电解质,这与我们所见过最好的固体锂离子导体属于同一类别。钐镍酸盐不仅能快速运输锂,还能在电解液材料中显示出理想的电阻水平。就其本身而言,钐镍酸盐的行为像金属,允许电子自由地通过其晶格。然而,当科学家将锂离子插入材料中时,自由电子通过材料的能力降低了8个数量级。

      这种电阻使材料避免了经常困扰其他常用液体电解质的问题,如不必要的能量损失和短路。阿贡纳米材料中心的科学家Subramanian Sankaranarayanan说:我们已经确定了一种材料,它具有比液体电解质更好的绝缘性能,如烷基碳酸盐岩,这是目前电池中常用的,并且离子导电率对固体来说很罕见。罗格斯大学研究员Michele Kotiuga说:向系统中添加电子会使镍酸盐更加绝缘,这是一个相当违反直觉的结果。Kotiuga进行了第一次计算,以确定这种材料被引入锂元素后电子结构的变化。

      有了这些计算,研究小组使用了通过先进光子源(APS)、阿贡领导计算设施(ALCF)和纳米材料中心(CNM)等美国能源部科学用户设备办公室提供的独特功能,以获得导致这种行为机制的更详细描述。该团队还利用了美国能源部布鲁克黑文国家实验室科学用户设施办公室的国家同步加速器光源ii。随着科学家们逐渐加入锂元素,APS用高强度x射线探测了钐镍酸盐。科学家们实时观察了电子结构和化学键是如何发展到原子长度尺度的。科学家们还利用ALCF和CNM的高性能计算集群Carbon来模拟晶格中的离子运动。

      两学科结合,研究出很有价值的固体材料!

      ALCF科学主任凯瑟琳·赖利说:超级计算机正日益成为材料设计和发现中不可或缺的一部分,有了领导阶层系统,研究人员可以以前所未有的细节水平探索材料,提供见解,最终可用于为目标应用量身定制新材料。利用ALCF的Mira超级计算机,研究小组模拟了系统的动力学,以预测锂离子通过镍酸盐的途径。Sankaranarayanan说:计算这些路径是对其他研究的一个重要补充,因为它有助于解释我们观察到的行为,可以利用这些知识在其他材料中重现和控制这些效果。科学家们计划研究其他可能具有类似性质的材料,以确定镍酸钐可以传导的其他离子。

      博科园-科学科普|研究/来自: 美国能源部/Savannah Mitchem

      参考期刊文献:《美国国家科学院院刊》

      DOI: 10.1073/pnas.1805029115

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