Detaily článku

Ohebné krystalické struktury představují cestu k solidní energetické budoucnosti

Tým vědců z Dukeovy univerzity a jejich spolupracovníků odhalil atomární mechanismy, které činí ze skupiny sloučenin zvaných argyrodity atraktivní kandidáty pro elektrolyty pevnolátkových baterií i termoelektrické měniče energie.

Tyto objevy - a přístup založený na strojovém učení - by mohly pomoci nastartovat novou éru skladování energie pro aplikace, jako jsou bateriové stěny pro domácnosti a rychle se nabíjející elektromobily.

Výsledky se objevily 18. května online v časopise Nature Materials.

Datum: 30.5.2023

pevnolátkové baterie

"Je to hádanka, kterou se dosud nepodařilo rozlousknout, protože každý stavební prvek materiálu je tak velký a složitý," řekl Olivier Delaire, docent strojního inženýrství a materiálových věd na Dukeově univerzitě. "Rozluštili jsme mechanismy na atomární úrovni, které způsobují, že celá tato třída materiálů je žhavým tématem v oblasti inovací polovodičových baterií."

Vzhledem k tomu, že svět směřuje k budoucnosti postavené na obnovitelných zdrojích energie, musí výzkumníci vyvinout nové technologie pro ukládání a distribuci energie do domácností a elektrických vozidel. Ačkoli standardním nosičem byly doposud lithium-iontové baterie obsahující kapalné elektrolyty, nejsou zdaleka ideálním řešením vzhledem k jejich relativně nízké účinnosti a náchylnosti kapalných elektrolytů k občasnému vznícení a výbuchu.

Tato omezení vyplývají především z chemicky reaktivních kapalných elektrolytů uvnitř lithium-iontových baterií, které umožňují relativně nezatížený pohyb iontů lithia mezi elektrodami. Ačkoli se skvěle hodí pro pohyb elektrických nábojů, kapalná složka je činí citlivými na vysoké teploty, které mohou způsobit jejich degradaci a nakonec i tepelnou katastrofu.

Mnoho veřejných i soukromých výzkumných laboratoří vynakládá mnoho času a peněz na vývoj alternativních pevnolátkových baterií z různých materiálů. Pokud je tento přístup správně navržen, nabízí mnohem bezpečnější a stabilnější zařízení s vyšší hustotou energie - alespoň teoreticky.

Ačkoli zatím nikdo neobjevil komerčně životaschopný přístup k polovodičovým bateriím, jeden z hlavních uchazečů se opírá o třídu sloučenin zvaných argyrodity, pojmenovanou podle minerálu obsahujícího stříbro. Tyto sloučeniny jsou tvořeny specifickými, stabilními krystalickými kostrami ze dvou prvků, přičemž třetí se může volně pohybovat po chemické struktuře. Zatímco některé recepty, jako je stříbro, germanium a síra, se vyskytují v přírodě, obecný rámec je dostatečně flexibilní, aby výzkumníci mohli vytvořit širokou škálu kombinací.

"Každý výrobce elektromobilů se snaží přejít na nové konstrukce pevnolátkových baterií, ale žádný z nich nezveřejňuje, na jaké složení sází," řekl Delaire. "Vítězství v tomto závodě by změnilo pravidla hry, protože auta by se mohla nabíjet rychleji, vydržet déle a zároveň být bezpečnější."

V nové práci se Delaire a jeho kolegové zabývají jedním slibným kandidátem vyrobeným ze stříbra, cínu a selenu (Ag8SnSe6). Pomocí kombinace neutronů a rentgenového záření odráželi vědci tyto extrémně rychle se pohybující částice od atomů uvnitř vzorků Ag8SnSe6, aby odhalili jeho molekulární chování v reálném čase. Člen týmu Mayanak Gupta, bývalý postdoktorand Delairovy laboratoře, který nyní působí jako výzkumný pracovník v Bhabha Atomic Research Center v Indii, také vyvinul přístup strojového učení, aby dal datům smysl, a vytvořil výpočetní model, který pozorování odpovídá pomocí kvantově mechanických simulací podle prvních principů.

Výsledky ukázaly, že atomy cínu a selenu sice vytvořily relativně stabilní lešení, ale zdaleka ne statické. Krystalická struktura se neustále ohýbala a vytvářela okna a kanály pro volný pohyb nabitých iontů stříbra v materiálu. Podle Delairea je systém takový, že mřížky cínu a selenu zůstávají pevné, zatímco stříbro je v téměř tekutém stavu.

"Je to něco, jako by atomy stříbra byly kuličky, které chrastí na dně velmi mělké studny a pohybují se, jako by krystalické lešení nebylo pevné," řekl Delaire. "Tato dualita materiálu žijícího mezi kapalným a pevným stavem je to, co mě nejvíce překvapilo."

Výsledky, a co je možná ještě důležitější, přístup kombinující pokročilou experimentální spektroskopii se strojovým učením, by měly vědcům pomoci rychleji pokročit na cestě k nahrazení lithium-iontových baterií v mnoha důležitých aplikacích. Podle Delaira je tato studie jen jedním ze souboru projektů zaměřených na různé slibné argyroditové sloučeniny obsahující různé receptury. Jedna z kombinací, která nahrazuje stříbro lithiem, je pro skupinu obzvláště zajímavá vzhledem k jejímu potenciálu pro baterie pro elektromobily.

"Mnoho z těchto materiálů nabízí velmi rychlou vodivost pro baterie a zároveň jsou dobrými tepelnými izolátory pro termoelektrické měniče, takže systematicky zkoumáme celou rodinu sloučenin," řekl Delaire. "Tato studie slouží k porovnání našeho přístupu strojového učení, který umožnil obrovský pokrok v naší schopnosti simulovat tyto materiály během pouhých několika let. Věřím, že nám to umožní rychle virtuálně simulovat nové sloučeniny a najít ty nejlepší recepty, které tyto sloučeniny nabízejí."

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Olivier Delaire, Duke University

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.