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一种适用于电池和其他能量转换装置的超级材料

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-25
 出乎意料的发现或许能够在未来得到从电池、燃料电池、热点转换装置方面的重大发现。

科学家们通常通过仔细地选择一个研究问题,设计出一个适合的解决方案并执行研究。但是意料之外的发现或许会在这个过程中发生。

Mercouri Kanatzidis是美国西北大学(Northwestern University)与美国能源部(DOE)阿贡国家实验室共同聘请的一位教授,他对一种新型超导体进行研究时得到了意想不到的收获。这种超导体是一种仅有4个原子厚的材料,仅能在二维空间中研究带电粒子的运动。这类研究可能会刺激各种能量转换装置的新材料的发明。

 

二维超离子导体α-KAg3Se2是四层原子结构。原子的颜色与原子的名字上的颜色一致。(图片由Mercouri Kanatzidis、美国西北大学和阿贡国家实验室提供)

美国西北大学与阿贡国家实验室联合任命Mercouri Kanatzidis教授说:“我们的分析结果显示,在转变之前,银离子被固定在二维的密闭空间内,但在转换后,银离子开始有运动轨迹。”

Kanatzidis的目标材料是银、钾和硒的组合(α-KAg3Se2),这种材料是一种4层结构。这些二维材料只有长度和宽度,但仅有4个原子的高,几乎是没有高度的。

当温度冷却到非常的低的情况下,超导体材料会失去对电子运动的所有阻力。阿贡材料科学部(MSD)高级科学家Kanatzidis表示:“这一点是让我很失望的,这种材料完全不能成为超导体,我们也还无法制作出超导体。但是令我惊讶的是这种材料竟可以成为超离子导体。”

在超离子导体中,固态材料中的带电离子与电池中的液体电解质一样自由流动。这导致固体具有非常高的离子导电性,这是导电能力的一种度量。具有高离子导电性,导热性低的意味着热能不能轻易穿过。这种特性使超离子导体成为储能和转换装置的超级材料。

研究小组发现一种特殊属性的材料的第一条线索是将温度加热到450至600华氏度之间时,这种材料变成了一种更加对称的层状结构。该小组还发现当温度降低,再次升高到高温区是,转变是可逆的。

Kanatzidis说:“我们分析结果显示,在转变之前,银离子是被固定在4种材料的二维空间内的。但转变之后,银离子的运动空间扩大。”虽然人们对离子在三维空间中的运动了解很多,但对它们如何在二维空间中运动却了解很少。

科学家一直在寻找一种典型的材料来研究二维材料中的离子运动。这种层状钾银硒材料似乎就是其中之一。研究小组测量了离子在固体中的散布情况,并发现相当于这种离子与重盐水电解质,重盐水电解质是已知速度最快的离子导体之一。

虽然现在定论这种特殊属性的超离子材料是否能够在实际应用中运用还为时尚早,但这种超离子材料可以立即成为设计其他具有高离子电导率和低热导率的二维材料的关键。

MSD主要材料科学家Duck Young Chung说:“这些特性用于设计电池和燃料电池新型二维固体电解质是非常重要的。”

对这种超离子材料的研究也有助于设计新的热电材料,将发电厂、工业过程甚至汽车尾气中的热量转化为电能。这类研究可以用于设计用于环境净化和水脱盐的膜。

该研究在《Nature Materials》发表,名为“二维I型超离子导体”(“A two-dimensional type I superionic conductor”)。除了Kanatzidis 和Chung之外,作者还包括Alexander J. E. Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire and Stephan Rosenkranz。研究小组包括来自阿贡实验室,美国西北大学,DOE橡树岭国家实验室(DOE’s Oak Ridge National Laboratory),伦敦大学学院(University College London)和杜克大学(Duke University)的研究人员。

研究团队的实验测量使用了橡树岭国家实验室与,西北大学综合分子结构教育和研究中心(Integrated Molecular Structure Education and Research Center)的散裂中子源,以及DOE科学用户设施部门阿贡高级光子源(Argonne's Advanced Photon Source)的束线17-BM-B。他们的电脑模拟使用了阿贡高性能计算集群Bebop上提供的计算资源。

这项研究主要由DOE科学部与基础能源科学部支持。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2021.11.22

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
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