С 1940-х годов ученые исследовали использование оксида ниобия, особенно формы, известной как T-Nb2O5, для создания более эффективных батарей.
Этот уникальный материал известен своей способностью позволять ионам лития (маленьким заряженным частицам, благодаря которым работают батареи) быстро перемещаться внутри него. Чем быстрее движется литий-ионный аккумулятор, тем быстрее можно зарядить аккумулятор.
Читать далее:
- Не удается получить доступ к Gov.br? Посмотрите, как разблокировать учетную запись
- Почему в Бразилии такие высокие цены на смартфоны и планшеты?
- Войны чипов: спор может обрести новую силу
Однако задача всегда заключалась в том, чтобы вырастить оксид ниобия в виде тонких плоских слоев или «пленок» самого высокого качества для практического применения.
Проблема связана со сложной структурой T-Nb2O5 и существованием множества подобных форм или полиморфов оксида ниобия.
Новый поиск
- На эту тему опубликовано новое исследование Природные материалычлены исследовательской группы Эндрю Рэппа из Пенсильванского университета сотрудничали с исследователями из Института Макса Планка и Кембриджского университета;
- Исследование успешно продемонстрировало высококачественный рост одиночных слоев кристалла T-Nb2O5, выровненных таким образом, что ионы лития могут двигаться значительно быстрее;
- «Этот резкий сдвиг позволяет использовать множество потенциальных приложений, от высокоскоростной зарядки аккумуляторов до энергоэффективных вычислений и многого другого», — сказал Рап.
Наши обычные способы хранения лития в катодах обычно зависят от процесса рекристаллизации, который имеет тенденцию вмешиваться в структуру, подобно тем, которые мы наблюдаем в современных батареях.
Чжэнь Цзян, бывший научный сотрудник Rape Group
Аарон Шенклер, аспирант Школы искусств и наук, добавляет: «Команда Макса Планка и Кембриджского университета нашла способ перемещать ионы лития таким образом, чтобы не нарушать кристаллическую структуру нашего тонкого тела. пленки, T-Nb2O5, и помочь рационализировать то, как ионы могут быстро и обратимо входить и выходить».
Рапп сравнивает T-Nb2O5 с многоуровневой структурой парковки, в которой литиевые уровни представляют собой автомобили, а структура T-Nb2O5 образует открытые каналы или пандусы, которые позволяют автомобилям перемещаться вверх и вниз между уровнями.
Выращивая T-Nb2O5 таким образом, чтобы эти каналы шли вертикально, или «вверх-вниз», наша команда сделала возможным движение ионов лития значительно быстрее, что позволило добиться быстрых и колоссальных изменений электрических свойств пленок. ионы лития между атомами в отрицательной клемме нашей системы.
Хён Хан из Института Макса Планка и ведущий автор исследования
Рап отмечает, что исследователи из Кембриджского университета тесно сотрудничали с его командой и обнаружили несколько ранее неизвестных переходов в структуре материала при изменении концентрации ионов лития.
Эти переходы изменяют электронные свойства материала, позволяя ему превратиться из изолятора в металл, то есть он переходит от блокировки электрического тока к его проводимости. Это резкое изменение, удельное сопротивление материала падает в 100 миллиардов раз.
Команда Пенна провела вычислительную работу по теоретизированию условий, необходимых для возникновения стабильности переходов, путем расчетов теории функционала плотности, квантово-механического метода, используемого для исследования электронной структуры систем многих тел, особенно атомов, молекул и конденсированных тел. фазы.
Rape говорит, что с помощью этого метода команда может рассчитать и предсказать поведение материала в различных условиях.
Далее он говорит, что теоретические расчеты помогли рационализировать наблюдаемые ими множественные фазы переходов, а также то, как эти фазы могут быть связаны с концентрацией ионов лития и их расположением в кристаллической структуре.
Это понимание, в свою очередь, позволило исследователям эффективно контролировать и управлять электронными свойствами тонких пленок T-Nb2O5.
Расчеты атомного моделирования имеют большие преимущества в продвижении основ науки в академических кругах, а также различных технологий в промышленности. Эта работа показывает, как эти расчеты могут дополнять эксперименты, выясняя роль диффузии лития в электрических свойствах важных твердотельных батарей и электронных материалов.
Арвин Какехани, бывший научный сотрудник Rape Group
Возможность контролировать ориентацию этих пленок позволяет нам исследовать зависящий от направления перенос в этом технологически важном классе материалов, что имеет основополагающее значение для понимания того, как эти материалы работают.
Клэр П. Грей, Кембриджский университет
Управляя этими фазовыми переходами, исследователи продемонстрировали, что они могут многократно и надежно контролировать электронные свойства этих тонких пленок. Кроме того, изменив химический состав «моста» электрода, компонента, контролирующего поток ионов, и устройства, они смогли настроить напряжение, при котором материал становится металлическим, что еще больше расширило возможности применения.
Это исследование является свидетельством силы междисциплинарного сотрудничества и неутолимого научного любопытства. Наше понимание T-Nb2O5 и подобных сложных материалов значительно улучшилось, заложив курс на более устойчивое и эффективное будущее.
Стюарт С.П. Паркин, Институт Макса Планка
По информации от Tech Xplore
Вы смотрели новые видео на YouTube цифрового взгляда? Подписывайтесь на канал!
Сообщение Будущее энергоснабжения должно быть более энергоэффективным впервые появилось в Olhar Digital.