Batterijen en brandstofcellen zijn vaak afhankelijk van een proces dat bekend staat als ionendiffusie om te functioneren. Bij ionendiffusie, geïoniseerde atomen bewegen door vaste materialen, vergelijkbaar met het proces waarbij water wordt geabsorbeerd door rijst tijdens het koken. Net als rijst koken, ionendiffusie is ongelooflijk temperatuurafhankelijk en vereist dat hoge temperaturen snel plaatsvinden.

Deze temperatuurafhankelijkheid kan beperkend zijn, omdat de materialen die in sommige systemen worden gebruikt, zoals brandstofcellen, bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen, soms meer dan 1, 000 graden Celsius. In een nieuwe studie, een team van onderzoekers van MIT en de Universiteit van Münster in Duitsland toonde een nieuw effect, waar de ionendiffusie wordt verbeterd terwijl het materiaal koud blijft, door alleen een select aantal trillingen, bekend als fononen, op te wekken. Deze nieuwe benadering - die het team 'fononkatalyse' noemt - zou kunnen leiden tot een geheel nieuw onderzoeksgebied. Hun werk werd gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschap .

In de studie, het onderzoeksteam gebruikte een computermodel om te bepalen welke trillingen ionen daadwerkelijk deden bewegen tijdens ionendiffusie. In plaats van de temperatuur van het gehele materiaal te verhogen, ze verhoogden de temperatuur van alleen die specifieke trillingen in een proces dat ze gerichte fonon-excitatie noemen.

"We hebben alleen de trillingen opgewarmd die er toe doen, en daarmee konden we laten zien dat je de stof koud kon houden, maar laat het zich gedragen alsof het erg heet is, " zegt Asegun Henry, hoogleraar werktuigbouwkunde en co-auteur van de studie.

Dit vermogen om materialen koel te houden tijdens ionendiffusie kan een breed scala aan toepassingen hebben. In het voorbeeld van brandstofcellen, als de hele cel niet aan extreem hoge temperaturen hoeft te worden blootgesteld, kunnen ingenieurs goedkopere materialen gebruiken om ze te bouwen. Dit zou de kosten van brandstofcellen verlagen en ze helpen langer mee te gaan, waardoor het probleem van de korte levensduur van veel brandstofcellen wordt opgelost.

Het proces kan ook gevolgen hebben voor lithium-ionbatterijen.

"Het ontdekken van nieuwe ionengeleiders is van cruciaal belang om lithiumbatterijen vooruit te helpen, en mogelijkheden zijn onder meer het gebruik van lithiummetaal, die de energie van lithium-ionbatterijen mogelijk kan verdubbelen. Helaas, het fundamentele begrip van ionengeleiding ontbreekt, " voegt Yang Shao-Hoorn toe, WM Keck Hoogleraar Energie en co-auteur.

Dit nieuwe werk bouwt voort op haar eerdere onderzoek, specifiek het werk van Sokseiha Muy Ph.D. over ontwerpprincipes voor ionengeleiders, die laat zien dat het verlagen van de fonon-energie in structuren de barrière voor iondiffusie vermindert en mogelijk de ionengeleiding verhoogt. Kiarash Gordiz, een postdoc die samenwerkt met Henry's Atomistic Simulation and Energy Research Group en Shao-Horn's Electrochemical Energy Laboratory, vroegen zich af of ze Shao-Horns onderzoek naar ionengeleiding konden combineren met Henry's onderzoek naar warmteoverdracht.

"Met het eerdere werk van professor Shao-Horn over ionengeleiders als uitgangspunt, we wilden precies bepalen welke fononmodi bijdragen aan iondiffusie, ' zegt Gordiz.

Henry, Gordiz, en hun team gebruikten een model voor lithiumfosfaat, die vaak wordt aangetroffen in lithium-ionbatterijen. Met behulp van een computationele methode die bekend staat als analyse van de normale modus, samen met nudged elastische band berekeningen en moleculaire dynamica simulaties, de onderzoeksgroep heeft kwantitatief berekend hoeveel elk fonon bijdraagt ​​aan het iondiffusieproces in lithiumfosfaat.

Gewapend met deze kennis, onderzoekers zouden lasers kunnen gebruiken om specifieke fononen selectief te prikkelen of op te warmen, in plaats van het hele materiaal bloot te stellen aan hoge temperaturen. Deze methode zou een nieuwe wereld van mogelijkheden kunnen openen.

De dageraad van een nieuw veld

Henry gelooft dat deze methode zou kunnen leiden tot het ontstaan ​​van een nieuw onderzoeksveld - een die hij 'fononkatalyse' noemt. Hoewel het nieuwe werk zich specifiek richt op ionendiffusie, Henry ziet toepassingen in chemische reacties, fase transformaties, en andere temperatuurafhankelijke verschijnselen.

"Onze groep is gefascineerd door het idee dat je allerlei dingen kunt katalyseren nu we de techniek hebben om erachter te komen welke fononen ertoe doen, ", zegt Henry. "Al deze reacties die normaal gesproken extreme temperaturen vereisen, kunnen nu bij kamertemperatuur plaatsvinden."

Henry en zijn team zijn begonnen met het onderzoeken van mogelijke toepassingen voor fonon-katalyse. Gordiz heeft gekeken naar het gebruik van de methode voor lithium superionische geleiders, die kunnen worden gebruikt in de opslag van schone energie. Het team overweegt ook toepassingen zoals een supergeleider bij kamertemperatuur en zelfs het maken van diamanten, die extreem hoge druk en temperaturen vereisen die bij veel lagere temperaturen kunnen worden geactiveerd door fonon-katalyse.

"Dit idee van selectieve opwinding, alleen focussen op de onderdelen die je nodig hebt in plaats van alles, zou een heel groot soort paradigmaverschuiving kunnen zijn voor hoe we dingen doen, "zegt Henry. "We moeten temperatuur gaan zien als een spectrum en niet alleen als een enkel getal."

De onderzoekers zijn van plan om meer voorbeelden te laten zien van gerichte fonon-excitatie die in verschillende materialen werkt. Vooruit gaan, ze hopen hun computationele model experimenteel in deze materialen te demonstreren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.