对超离子晶体的原子洞察可以产生更安全更高效的可充电电池

材料科学家们已经发现了一类称为超离子晶体的材料具有良好电性能的物理现象。更好地理解这些材料可以产生比目前锂离子标准载体更安全和更有效的可充电电池。

仅在过去五年内成为一个受欢迎的研究课题，超离子晶体是液体和固体之间的交叉。虽然它们的一些分子组分保持刚性晶体结构，但是其他分子组分在一定温度以上变成液体状，并且能够流过固体支架。

在一项新研究中，来自杜克大学，橡树岭国家实验室(ORNL)和阿贡国家实验室(ANL)的科学家探测了一种含有铜，铬和硒(CuCrSe 2)的超神经晶体，其中含有中子和X射线，以确定材料是如何形成的。铜离子实现其液体状特性。结果将于10月8日在线发表在“ 自然物理学 ”杂志上。

“当CuCrSe 2被加热到190华氏度以上时，其铜离子在铬和硒层内飞行，其速度与液态水分子一样快，”Duke机械工程和材料科学副教授，高级作者Olivier Delaire说。在研究上。“然而，它仍然是你手中的坚实。我们想要理解这种现象背后的分子物理学。”

为了探测铜离子的行为，Delaire和他的同事转向了两个世界级的设施：橡树岭的散裂中子源和阿贡的高级光子源。每台机器都提供了一个独特的拼图。

通过使用强大的中子对橡树岭制造的大量粉末CuCrSe 2进行测试，研究人员对材料的原子结构和动力学进行了广泛的观察，揭示了铬和硒原子的硬支架的振动以及随机跳跃的铜离子。

对于更窄但更详细的振动模式，研究人员用高分辨率X射线轰击了一小块CuCrSe 2晶体。这使他们能够检查射线如何从其原子中散射，以及支架振动如何使剪切波传播，这是一种坚实行为的标志。

有了这两组信息，Delaire的小组在国家能源研究科学计算中心对材料的原子行为进行了量子模拟，以解释他们的发现。低于190华氏度的相变温度，铜原子在孤立的位置周围振动，被困在材料支架结构的口袋中。但是在该温度之上，它们能够在多个可用站点之间随机跳跃。这允许铜离子流过其他固体晶体。

虽然需要做更多的工作来了解铜原子在两个位置被占用后如何相互作用，但这些发现提供了关于如何在未来的电子应用中使用类似材料的线索。

“大多数商用锂离子电池使用液体电解质在电池的正极和负极之间转移离子，”Delaire说。“虽然效率很高，但这种液体可能具有危险的易燃性，因为许多笔记本电脑和智能手机用户不幸发现了这种情况。”

“有些变形的超离子晶体含有像锂或钠这样的离子，其行为类似于CuCrSe 2中的铜，”Delaire说。“如果我们能够理解超离子晶体如何通过这项研究和未来的研究，我们或许可以找到一种更好的，可靠的解决方案，用于在可充电电池中输送离子。

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