Las estructuras cristalinas flexibles proporcionan materiales de energía sólida

Las estructuras cristalinas flexibles proporcionan materiales de energía sólida: un equipo de investigadores de la Universidad de Duke y sus colaboradores han descubierto los mecanismos atómicos que hacen que una clase de compuestos llamados argiroditas sean candidatos atractivos tanto para electrolitos de baterías de estado sólido como para convertidores de energía termoeléctrica.

Los descubrimientos, y el enfoque de aprendizaje automático utilizado para hacerlos, podrían ayudar a marcar el comienzo de una nueva era de almacenamiento de energía para aplicaciones como paredes de baterías domésticas y vehículos eléctricos de carga rápida.

Los resultados aparecieron en línea el 18 de mayo en la revista Nature Materials.

"Este es un rompecabezas que no se ha descifrado antes debido a lo grande y complejo que es cada bloque de construcción del material", dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Hemos descubierto los mecanismos a nivel atómico que están causando que toda esta clase de materiales sea un tema candente en el campo de la innovación de baterías de estado sólido".

A medida que el mundo avanza hacia un futuro basado en energías renovables, los investigadores deben desarrollar nuevas tecnologías para almacenar y distribuir energía a los hogares y vehículos eléctricos. Si bien el abanderado hasta este punto ha sido la batería de iones de litio que contiene electrolitos líquidos, está lejos de ser una solución ideal dada su eficiencia relativamente baja y la afinidad del electrolito líquido para incendiarse y explotar ocasionalmente.

"Hemos descubierto los mecanismos a nivel atómico que están causando que toda esta clase de materiales sea un tema candente en el campo de la innovación de baterías de estado sólido".

OLIVIER DELAIRE

Estas limitaciones se derivan principalmente de los electrolitos líquidos químicamente reactivos dentro de las baterías de iones de litio que permiten que los iones de litio se muevan relativamente sin trabas entre los electrodos. Si bien es excelente para mover cargas eléctricas, el componente líquido los hace sensibles a las altas temperaturas que pueden causar degradación y, eventualmente, una catástrofe térmica desbocada.

Las estructuras cristalinas flexibles proporcionan materiales de energía sólida: muchos laboratorios de investigación públicos y privados están gastando mucho tiempo y dinero para desarrollar baterías de estado sólido alternativas a partir de una variedad de materiales. Si se diseña correctamente, este enfoque ofrece un dispositivo mucho más seguro y estable con una mayor densidad de energía, al menos en teoría.

Si bien nadie ha descubierto aún un enfoque comercialmente viable para las baterías de estado sólido, uno de los principales contendientes se basa en una clase de compuestos llamados argyrodites, llamados así por un mineral que contiene plata. Estos compuestos se construyen a partir de marcos cristalinos estables y específicos hechos de dos elementos con un tercero libre para moverse por la estructura química. Si bien algunas recetas como la plata, el germanio y el azufre se producen de forma natural, el marco general es lo suficientemente flexible como para que los investigadores creen una amplia gama de combinaciones.

“Todos los fabricantes de vehículos eléctricos están tratando de pasar a nuevos diseños de baterías de estado sólido, pero ninguno de ellos revela a qué composiciones están apostando”, dijo Delaire. "Ganar esa carrera cambiaría las reglas del juego porque los autos podrían cargarse más rápido, durar más y ser más seguros al mismo tiempo".

En el nuevo artículo, Delaire y sus colegas analizan un candidato prometedor hecho de plata, estaño y selenio (Ag8SnSe6). Usando una combinación de neutrones y rayos X, los investigadores hicieron rebotar estas partículas de movimiento extremadamente rápido en los átomos dentro de las muestras de Ag8SnSe6 para revelar su comportamiento molecular en tiempo real. El miembro del equipo Mayanak Gupta, un ex postdoctorado en el laboratorio de Delaire que ahora es investigador en el Centro de Investigación Atómica Bhabha en India, también desarrolló un enfoque de aprendizaje automático para dar sentido a los datos y creó un modelo computacional para hacer coincidir las observaciones utilizando los primeros principios. simulaciones mecánicas cuánticas.

“Todos los fabricantes de vehículos eléctricos están tratando de pasar a nuevos diseños de baterías de estado sólido, pero ninguno de ellos revela a qué composiciones están apostando. Ganar esa carrera cambiaría las reglas del juego porque los autos podrían cargarse más rápido, durar más y ser más seguros. de repente."

OLIVIER DELAIRE

Los resultados mostraron que, si bien los átomos de estaño y selenio crearon un andamiaje relativamente estable, estaba lejos de ser estático. La estructura cristalina se flexiona constantemente para crear ventanas y canales para que los iones de plata cargados se muevan libremente a través del material. El sistema, dijo Delaire, es como si las redes de estaño y selenio permanecieran sólidas mientras que la plata está en un estado casi líquido.

"Es como si los átomos de plata fueran canicas resonando en el fondo de un pozo muy poco profundo, moviéndose como si el andamio cristalino no fuera sólido", dijo Delaire. "Esa dualidad de un material que vive entre un estado líquido y sólido es lo que encontré más sorprendente".

Los resultados y, quizás lo que es más importante, el enfoque que combina la espectroscopia experimental avanzada con el aprendizaje automático deberían ayudar a los investigadores a avanzar más rápidamente hacia la sustitución de las baterías de iones de litio en muchas aplicaciones cruciales. Según Delaire, este estudio es solo uno de una serie de proyectos destinados a una variedad de compuestos de argirodita prometedores que comprenden diferentes recetas. Una combinación que reemplaza la plata con litio es de particular interés para el grupo, dado su potencial para baterías EV.

Las estructuras cristalinas flexibles proporcionan materiales de energía sólida: "Muchos de estos materiales ofrecen una conducción muy rápida para las baterías y son buenos aislantes térmicos para los convertidores termoeléctricos, por lo que estamos analizando sistemáticamente toda la familia de compuestos", dijo Delaire. "Este estudio sirve para comparar nuestro enfoque de aprendizaje automático que ha permitido avances tremendos en nuestra capacidad para simular estos materiales en solo un par de años. Creo que esto nos permitirá simular rápidamente nuevos compuestos virtualmente para encontrar las mejores recetas que estos compuestos tienen para oferta."

"Este estudio sirve para comparar nuestro enfoque de aprendizaje automático que ha permitido avances tremendos en nuestra capacidad para simular estos materiales en solo un par de años. Creo que esto nos permitirá simular rápidamente nuevos compuestos virtualmente para encontrar las mejores recetas que estos compuestos tienen para oferta."

OLIVIER DELAIRE

También es importante para Delaire cuán "orientado a la familia" ha sido este proyecto en curso, ya que incluye a muchos de sus compañeros de laboratorio actuales y anteriores considerados parte de su "familia académica".

Además del Gupta mencionado anteriormente, que una vez fue un postdoctorado en el laboratorio de Delaire, Jie Ma, el último autor correspondiente del artículo, fue el primer postdoctorado de Delaire cuando era científico en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Ma ha tenido mucho éxito y se convirtió en profesor de física en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China. Y Jingxuan Ding, exestudiante de doctorado de Delaire que se graduó el verano pasado, ahora es posdoctorado en la Universidad de Harvard y también apoyó el análisis y el modelado.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Investigación Básica y Básica Aplicada de Guangdong (2021B1515140014), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (52101236, U1732154, T2125008, 52272006), el Instituto de Física de Alta Energía, Academia China de Ciencias (E15154U110), el Proyecto abierto de Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control (2021-05), la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (DMR-2119273), el "Programa Shuguang" de la Fundación para el Desarrollo de la Educación de Shanghái y la Comisión Municipal de Educación de Shanghái, el Consejo de Investigación de Australia ( DP210101436).

CITA: "La anarmonicidad extrema de fonones sustenta la difusión superiónica y la conductividad térmica ultrabaja en argirodita Ag8SnSe6" Qingyong Ren, Mayanak K. Gupta, Min Jin, Jingxuan Ding, Jiangtao Wu, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Oscar Fabelo, Jose Alberto Rodriguez-Velamazan, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Marcell Wolf, Fengfeng Zhu, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng, Guohua Wang, Xin Tong, Yanzhong Pei, Oliver Delaire, Jie Ma. Materiales naturales, 18 de mayo de 2023. doi:10.1038/s41563-023-01560-x

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