Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met onderzoekers van Purdue University en Rutgers University, hebben materiaalwetenschap en fysica van de gecondenseerde materie samengevoegd in een onderzoek naar een veelbelovend vast materiaal dat lithiumionen geleidt.

Het transport van ionen, of geladen atomen, door materialen speelt een cruciale rol in veel elektrische systemen - van batterijen tot hersenen. Momenteel, de belangrijkste iongeleidende materialen zijn vloeibaar en organisch, maar de ontwikkeling van vaste en anorganische ionengeleiders zou brede toepassingen kunnen hebben in energieomzetting, bio-engineering en informatieverwerking.

In dit onderzoek, samarium nikkelaat, een materiaal dat ook een vaste stof is, bleek onder bepaalde omstandigheden lithiumionen snel te transporteren. De studie is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De studie meldde dat voor samariumnikkelaat, de kwantumfenomenen die spelen binnen de moleculaire structuur beïnvloeden de eigenschappen van het materiaal op grotere schaal, en zijn ongebruikelijke structurele kenmerken kunnen gunstige elektronische eigenschappen opleveren.

In een eerdere studie, ontdekten de wetenschappers dat kleine ionen, zoals protonen, zeer snel door het samarium-nikkelmateriaal kunnen bewegen. "Vervolgens vroegen we wat er zou gebeuren als we iets grotere ionen zouden inbrengen, zoals lithium, in het materiaal, " zei Shriram Ramanathan, een co-auteur van de studie en hoogleraar materiaalkunde aan de Purdue University.

Lithiumionen spelen een belangrijke rol in de batterijwereld:veel batterijen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn afhankelijk van het transport van lithiumionen door een elektrolytmateriaal om de stroom van elektrische stroom te vergemakkelijken.

"Omdat het samariumnikkelaat bij kamertemperatuur gemakkelijk lithiumionen door zijn rooster kan transporteren, het heeft het potentieel om te worden gebruikt als een elektrolyt in vaste toestand in een batterij, " zei Hua Zhou, een Argonne-fysicus. "Dit valt in dezelfde categorie als de beste solide lithium-iongeleiders die we hebben gezien."

Het samariumnikkelaat transporteert niet alleen snel lithium, het vertoont ook een niveau van elektrische weerstand dat wenselijk is in elektrolytmaterialen. Op zichzelf, samariumnikkelaat gedraagt ​​zich als een metaal, waardoor elektronen vrij door het kristalrooster kunnen gaan. Echter, wanneer wetenschappers lithiumionen in het materiaal inbrengen, het vermogen van vrije elektronen om door te gaan wordt verminderd met acht ordes van grootte. Door deze weerstand kan het materiaal problemen vermijden die vaak andere vloeibare elektrolyten teisteren die gewoonlijk worden gebruikt, zoals onnodig energieverlies en kortsluiting.

"We hebben een materiaal geïdentificeerd dat betere isolerende eigenschappen heeft dan vloeibare elektrolyten zoals alkylcarbonaten, die vaak worden gebruikt in huidige batterijen, en ionengeleiding zeldzaam voor een vaste stof, " zei Subramanian Sankaranarayanan, wetenschapper bij Argonne's Center for Nanoscale Materials.

"Het is een nogal contra-intuïtief resultaat dat het toevoegen van elektronen aan het systeem het nikkelaat meer isolerend maakt, " zei Rutgers University-onderzoeker Michele Kotiuga.

Kotiuga voerde de eerste berekeningen uit om te bepalen hoe de elektronische structuur van het materiaal verandert wanneer het in lithium wordt geïntroduceerd.

Met deze berekeningen in de hand, het team gebruikte vervolgens de mogelijkheden die werden aangeboden via Argonne's unieke suite van DOE Office of Science User Facilities - de Advanced Photon Source (APS), de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) en het Center for Nanoscale Materials (CNM) - om een ​​meer gedetailleerde beschrijving te krijgen van de mechanismen die het gedrag veroorzaken. Het team maakte ook gebruik van de National Synchrotron Light Source-II, een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven National Laboratory.

De APS onderzocht het samarium-nikkelaat met behulp van röntgenstralen met hoge intensiteit terwijl wetenschappers geleidelijk het lithium toevoegden. Live, de wetenschappers bekeken hoe de elektronische structuur en chemische binding evolueerden naar de atomaire lengteschaal.

De wetenschappers gebruikten ook de ALCF en Carbon, een high-performance computercluster bij CNM, om ionische beweging in het rooster te simuleren.

"Supercomputers worden steeds meer een integraal onderdeel van het ontwerpen en ontdekken van materialen, " zei ALCF-directeur Wetenschap Katherine Riley. "Met onze leiderschapsklasse-systemen, onderzoekers kunnen materialen op een ongekend detailniveau verkennen, het verstrekken van inzichten die uiteindelijk kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen op maat te maken voor gerichte toepassingen."

Met behulp van de Mira-supercomputer van ALCF, het team modelleerde de dynamiek van het systeem om te voorspellen welke paden de lithiumionen door het nikkelaat zouden kunnen nemen.

"Het berekenen van de paden was een belangrijke aanvulling op de rest van het onderzoek omdat het helpt om het gedrag dat we hebben waargenomen te verklaren, " zei Sankaranarayanan. "We kunnen deze kennis gebruiken om deze effecten in andere materialen opnieuw te creëren en te beheersen."

De wetenschappers zijn van plan om andere materialen te bestuderen die vergelijkbare eigenschappen kunnen vertonen om andere ionen te identificeren die samariumnikkelaat kan geleiden.