Суперионные кристаллы внутри батарей будущего

Суперионные кристаллы внутри батарей будущего

Специалистами по исследованиям материалов раскрыт физический феномен, лежащий в основе перспективных электрических свойств суперионных кристаллов (класс материалов). Новое открытие и более полная информация о том, что такое суперионные кристаллы, может стать основой создания безопасных и высокоэффективных перезаряжаемых батарей по сравнению с существующим стандартом на основе ион-лития.

Популярная тема суперионных кристаллов

Тема исследования суперионных кристаллов стала популярной последние пять лет. Как показали ранее проводимые исследования, суперионные кристаллы являются веществами промежуточного состояния относительно жидких и твердых тел.

В то время как молекулярные компоненты суперионных кристаллов сохраняют жесткую кристаллическую структуру, другие компоненты приобретают состояние жидкости при определённой температуре и способны протекать сквозь твёрдый каркас.

Новые исследования ученых Университета Дьюка были проведены с одним из таких суперионных кристаллов, содержащего медь, хром и селен (CuCrSe2).


Исследования заключались в процессе воздействия нейтронами и рентгеновскими лучами на объект. Целью ставилось определение, каким образом ионы меди достигают свойств жидкости. Результаты исследований опубликованы журналом «Nature Physics».

Нагрев CuCrSe2 выше температуры 90ºC, приводит к эффекту прохождения ионов меди внутри слоев хрома и селена с той же скоростью, что наблюдается у молекул воды.

При этом вещество всё равно остаётся настолько твердым, что вполне может удерживаться в руках. Физику этого феномена теперь и стремятся познать специалисты по материалам.

Чтобы исследовать поведение ионов меди в данном случае, учёным потребовалась работа с источниками рассеяния нейтронов. Подобное оборудование считается уникальным и в настоящее время существует только в двух точках мира.

Результаты исследования суперионных кристаллов

Путём «обстрела» образца порошкообразного CuCrSe2 мощными нейтронами, исследователи получили широкомасштабный исследовательский результат структуры и динамики материала.

Были выявлены колебания жестких каркасов атомов хрома и селена, а также случайные внутренние перемещения ионов меди.

Для более детального изучения вибрационных режимов предпринималась «бомбардировка» одиночного зерна кристалла CuCrSe2 рентгеновскими лучами высокого разрешения.

Этот способ позволил исследовать фактор рассеивания лучей отражённых от атомов зерна кристалла. Также удалось зафиксировать колебания распространения поперечных волн, что является признаком поведения твердотельного вещества.

Составлением наборов информации группа исследователей провела квантовое моделирование атомного поведения материала в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре по энергетическим исследованиям.

Выводы получили следующие. Ниже температуры фазового перехода 90ºC атомы меди вибрируют вокруг изолированных участков, запертых структурными карманами.

Но выше этой температуры атомы способны переключаться в случайном порядке между несколькими доступными сторонами. Это позволяет ионам меди течь внутри всей структуры твердого кристалла.

Большая часть коммерческих литий-ионных батарей построена на жидком электролите. Несмотря на то, что жидкий электролит достаточно эффективен, этот вариант огне- и взрывоопасный, как подтверждается многими владельцами ноутбуков, смартфонов и аналогичных устройств.

Разработка новых вариантов на суперионных кристаллах обещает избавить пользователей цифровой техники от таких проблем.


При помощи информации: Duke


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *