Лидерство: новые исследования открывают путь к энергетике

Научная технология

С 1940-х годов ученые изучают возможность использования оксида ниобия, в частности формы оксида ниобия, известной как T-Nb2O5, для создания более эффективных батарей. Этот уникальный материал известен своей способностью позволять ионам лития, крошечным заряженным частицам, которые обеспечивают работу батарей, быстро перемещаться внутри него. Чем быстрее эти ионы лития могут двигаться, тем быстрее можно будет зарядить аккумулятор.

Однако задача всегда заключалась в том, чтобы вырастить этот материал из оксида ниобия в тонкие плоские слои или «пленки», которые имеют достаточно высокое качество, чтобы их можно было использовать в практических приложениях. Эта проблема связана со сложной структурой T-Nb2O5 и существованием множества подобных форм или полиморфов оксида ниобия.

В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, члены исследовательской группы Эндрю Раппа из Пенсильванского университета в сотрудничестве с исследователями из Института Макса Планка и Кембриджского университета успешно продемонстрировали рост высококачественных монокристаллических слоев T-Nb2O5. выровнены таким образом, чтобы ионы лития могли двигаться значительно быстрее.

«Этот драматический сдвиг открывает целый ряд потенциальных приложений: от высокоскоростной зарядки аккумуляторов до энергоэффективных вычислений и многого другого», — говорит Раппе.

«Наши традиционные методы хранения лития в катодах обычно основаны на процессе рекристаллизации, который имеет тенденцию вмешиваться в структуру, подобно тем, которые мы видим в сегодняшних батареях», — говорит соавтор Чжэнь Цзян, бывший научный сотрудник Rappe Group.

Аарон Шанклер, аспирант Школы искусств и наук, добавляет: «То, что сделала команда Макса Планка и Кембриджского университета, — это нашла способ перемещать ионы лития таким образом, чтобы не нарушать кристаллическую структуру. нашей тонкой пленки T-Nb2O5, и мы помогли объяснить, почему ионы могут быстро и обратимо перемещаться внутрь и наружу».

Рапп сравнивает T-Nb2O5 с многоуровневой структурой автостоянки, в которой ионы лития представляют собой автомобили, а структура T-Nb2O5 образует открытые каналы или пандусы, которые позволяют автомобилям перемещаться вверх и вниз между уровнями.

«Вырастив T-Nb2O5 так, чтобы эти каналы проходили вертикально, или «вверх и вниз», наша команда позволила ионам лития двигаться значительно быстрее, тем самым позволяя быстро и колоссально изменять электрические свойства тонких пленок путем введения ионы лития между атомами на отрицательном полюсе нашей системы», — говорит первый автор Хён Хан из Института Макса Планка.

Рапп отмечает, что исследователи из Кембриджского университета тесно сотрудничали с его командой и обнаружили множество ранее неизвестных переходов в структуре материала при изменении концентрации ионов лития.

Эти переходы изменяют электронные свойства материала, позволяя ему превратиться из изолятора в металл, а это означает, что он переходит от блокировки электрического тока к его проведению. Это драматический сдвиг; удельное сопротивление материала уменьшается в 100 миллиардов раз.

Команда из Пенсильванского университета разработала вычислительную работу по теоретизированию условий, необходимых для обеспечения стабильности переходов, посредством расчетов теории функционала плотности, квантово-механического метода, используемого для исследования электронной структуры систем многих тел, особенно атомов, молекул и конденсированные фазы. Раппе говорит, что с помощью этого метода команда смогла рассчитать и предсказать поведение материала в различных условиях.

Он говорит, что теоретические расчеты помогли объяснить наблюдаемые ими множественные фазовые переходы, а также то, как эти фазы могут быть связаны с концентрацией ионов лития и их расположением внутри кристаллической структуры. Это понимание, в свою очередь, позволило исследователям эффективно контролировать и манипулировать электронными свойствами тонких пленок T-Nb2O5.

«Расчеты атомистического моделирования приносят большую пользу для развития фундаментальных наук в академических кругах, а также различных технологий в промышленности», — говорит Арвин Какекхани, бывший научный сотрудник Rappe Group, постдокторант. «Эта работа демонстрирует, как эти расчеты могут дополнять эксперименты, выясняя роль диффузии лития в электрических свойствах важных твердотельных батарей и электронных материалов».