Դյուկի համալսարանի հետազոտողները ուսումնասիրել են Li₆PS₅Cl սուպերիոնային միացության մեջ իոնների արագ շարժունակության մեխանիզմը: Նրանք հայտնաբերել են, որ այս նյութում իոնները իրենց պահում են հեղուկի նման, ինչը կարող է զգալիորեն բարձրացնել պինդ վիճակի մարտկոցների արդյունավետությունը: Աշխատանքը հրապարակվել է Nature Physics ամսագրում:

Ի՞նչ է սուպերիոնային նյութը

Սուպերիոնային միացություններն ունեն եզակի հատկություններ. դրանց կառուցվածքում մի մասի իոնները մնում են տեղում, իսկ մյուսները ազատորեն շարժվում են, ինչպես հեղուկում: Սա դրանք դարձնում է պինդ վիճակի մարտկոցների համար խոստումնալից էլեկտրոլիտներ, որոնք ապագայում կարող են փոխարինել ավանդական լիթիում-իոնային մարտկոցներին:

Ի տարբերություն հեղուկ էլեկտրոլիտներով մարտկոցների, պինդ վիճակի մարտկոցներն ապահովում են բարձր անվտանգություն, ավելի երկար օգտագործման ժամկետ և բարձր էներգատարողություն: Սակայն նման նյութերում իոնների գերլար շարժունակության մեխանիզմները դեռևս բավարար ուսումնասիրված չեն:

Լիթիումի արգիրոդիտի ուսումնասիրություն

Գիտնականները կենտրոնացել են Li₆PS₅Cl միացության վրա, որը պինդ վիճակի էլեկտրոլիտների ամենահեռանկարայիններից մեկն է:

Հետազոտության հիմնական հարցը. արդյո՞ք լիթիումի իոնները այս նյութում շարժվում են ատոմների սովորական տատանումների սկզբունքով, թե՞ նրանց պահվածքն ավելի նման է հեղուկի:

Դա պարզելու համար թիմն օգտագործել է.

  • Նեյտրոնային ցրում՝ ատոմային տատանումները լայն հաճախականությունների տիրույթում (գիգահերցից մինչև տերահերց) ուսումնասիրելու համար:
  • Համակարգչային մոդելավորում՝ մեքենայական ուսուցման մեթոդներով լիթիումի իոնների փոխազդեցությունը բյուրեղային ցանցի հետ վերլուծելու համար:

Հաշվարկներն իրականացվել են բարձր արտադրողականությամբ հաշվողական համակարգերի վրա, ինչը հնարավորություն է տվել ստանալ իոնների շարժման մանրամասն պատկեր:

Հիմնական հայտնագործությունները

Հեղուկանման վիճակին անցում

  • Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ լիթիումի իոնները փոխում են իրենց պահվածքը՝ դառնալով ավելի շարժուն:
  • Սպեկտրալ վերլուծությունը ցույց է տվել, որ նրանց դինամիկան աստիճանաբար անցնում է բյուրեղայինից հեղուկանման վիճակի:

Բարձր հաղորդունակության պատճառը

  • Նախկինում ենթադրվում էր, որ իոնների շարժունակությունը որոշվում է բյուրեղային ցանցի տատանումներով:
  • Նոր տվյալները ցույց են տալիս, որ հեղուկանման պահվածքն ունի կարևոր դեր:

Ի՞նչ նշանակություն ունի դա մարտկոցների համար

Պինդ վիճակի մարտկոցների բարելավում

Նոր գիտելիքները կօգնեն մշակել բարձր իոնային հաղորդունակությամբ և կայունությամբ նյութեր:

Կիրառություն այլ տեխնոլոգիաներում

Սուպերիոնային նյութերը խոստումնալից են ոչ միայն մարտկոցների, այլև վառելիքի տարրերի, սենսորների և պրոցեսորների համար:

«Սուպերիոնային նյութերն ունեն բարդ դինամիկա, և դրանց նախագծումը դեռևս բարդ խնդիր է», - նշել է հետազոտության առաջատար հեղինակ Օլիվիե Դելերը:

Աշխատանքի արդյունքները հնարավորություն են տալիս մշակել էներգատար և անվտանգ մարտկոցների նոր սերունդներ, որոնք կարող են հեղափոխություն մտցնել էներգիայի պահպանման շուկայում: