Исследователи из Университета Дьюка изучили механизм быстрой ионной подвижности в суперионном соединении Li₆PS₅Cl. Они обнаружили, что ионы в этом материале ведут себя подобно жидкости, что может значительно повысить эффективность твердотельных аккумуляторов. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Что такое суперионные материалы?

Суперионные соединения обладают уникальными свойствами: в их структуре одни ионы остаются на месте, а другие движутся свободно, как в жидкости. Это делает их перспективными электролитами для твердотельных аккумуляторов, которые в будущем могут заменить традиционные литий-ионные батареи.

В отличие от аккумуляторов с жидкими электролитами, твердотельные батареи обеспечивают повышенную безопасность, большую долговечность и высокую энергоемкость. Однако механизмы сверхбыстрого движения ионов в таких материалах до сих пор остаются недостаточно изученными.

Исследование литиевого аргиродита

Ученые сосредоточились на соединении Li₆PS₅Cl — одном из наиболее перспективных твердотельных электролитов.

Главный вопрос исследования: движутся ли ионы лития в этом материале по принципу обычных колебаний атомов или их поведение больше похоже на жидкость?

Чтобы выяснить это, команда использовала:

  • Нейтронное рассеяние для изучения атомных колебаний в широком диапазоне частот (от гигагерц до терагерц).
  • Компьютерное моделирование с применением методов машинного обучения для анализа взаимодействия литиевых ионов с кристаллической решеткой.

Расчеты проводились на высокопроизводительных вычислительных системах, что позволило получить детализированную картину движения ионов.

Главные открытия

Переход к жидкоподобному состоянию

  • При повышении температуры литиевые ионы меняют поведение, становясь более подвижными.
  • Спектральный анализ показал, что их динамика постепенно переходит от кристаллической к жидкоподобной.

Причина высокой проводимости

  • Ранее считалось, что ионная подвижность определяется колебаниями кристаллической решетки.
  • Новые данные показывают, что эффекты, напоминающие поведение жидкости, играют ключевую роль.

Что это значит для аккумуляторов?

Улучшение твердотельных аккумуляторов

Новые знания помогут разработать материалы с высокой ионной проводимостью и стабильностью.

Применение в других технологиях

Суперионные материалы перспективны не только для аккумуляторов, но и для топливных элементов, сенсоров и процессоров.

«Суперионные материалы обладают сложной динамикой, и их проектирование остается непростой задачей», — отметил Оливье Делэр, ведущий автор исследования.

Результаты работы прокладывают путь к разработке новых поколений энергоемких и безопасных аккумуляторов, способных революционизировать рынок хранения энергии.