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杜克大學(xué)發(fā)現(xiàn)新的電解質(zhì)材料 助力開發(fā)固態(tài)電池

時(shí)間:2023-05-29 08:52來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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       據(jù)外媒報(bào)道，杜克大學(xué)（Duke University）的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)現(xiàn)了硫銀鍺礦（argyrodites）化合物的原子機(jī)制，使其成為固態(tài)電池電解質(zhì)和熱電能量轉(zhuǎn)換器的有吸引力選項(xiàng)。
（圖片來源：杜克大學(xué)）
 
       這些發(fā)現(xiàn)及制造材料使用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，或?qū)⑼苿?dòng)實(shí)現(xiàn)家用電池墻和快充電動(dòng)汽車等儲(chǔ)能應(yīng)用新時(shí)代。
 
       杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)副教授Olivier Delaire表示：“這是一個(gè)以前從未被破解的難題，因?yàn)檫@些材料的各個(gè)構(gòu)成部分都很大且復(fù)雜。研究人員已從原子層面梳理出相關(guān)機(jī)制，使這類材料成為固態(tài)電池創(chuàng)新領(lǐng)域的熱門話題。”
 
       目前使用的鋰離子電池大多采用電解液。然而，由于電池效率相對(duì)較低，而且電解液存在起火和爆炸的可能性，遠(yuǎn)非理想的解決方案。理論上來說，固態(tài)電池更加安全、更穩(wěn)定、能量密度更高。其中一個(gè)主要競爭選項(xiàng)依賴于一類稱為硫銀鍺礦的化合物。這些化合物由穩(wěn)定的晶體框架構(gòu)成，該晶體框架由兩種元素組成，第三種元素可以在化學(xué)結(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)。雖然銀、鍺和硫等元素為天然存在，但總體框架具有足夠的靈活性，研究人員可以創(chuàng)建各種組合。
 
       在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)研究一種由銀、錫和硒（Ag8SnSe6）制成的富有前景的候選材料。研究人員結(jié)合使用中子和X射線，將這些極快移動(dòng)的粒子從Ag8SnSe6樣品的原子中彈開，以實(shí)時(shí)揭示其分子行為。研究人員Mayanak Gupta還開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法來理解數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算模型，以匹配使用第一性原理的量子力學(xué)模擬觀測結(jié)果。
 
       結(jié)果表明，錫和硒原子創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的支架，但遠(yuǎn)非靜態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)不斷地彎曲，為帶電銀離子創(chuàng)造了窗口和通道，使其可在材料中自由移動(dòng)。換句話說，錫和硒晶格保持固態(tài)，而銀晶格幾乎處于液態(tài)。Delaire表示：“銀原子有點(diǎn)像彈珠，在很淺的井底四處移動(dòng)并發(fā)出嘎嘎聲，似乎晶體支架不堅(jiān)固。這種材料具有介于液態(tài)和固態(tài)之間的雙重性，是最令人驚訝的地方。”
 
       或許更重要的是，借助于將先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)光譜與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，研究人員有可能在許多關(guān)鍵應(yīng)用中加快取代鋰離子電池。據(jù)介紹，這只是系列研究項(xiàng)目之一，這些項(xiàng)目旨在研究由不同配方組成的各種富有前景的硫銀鍺礦化合物。考慮到用于電動(dòng)汽車電池的潛力，該團(tuán)隊(duì)尤其關(guān)注一種用鋰取代銀的組合。
 
       Delaire表示：“很多材料有助于在電池中實(shí)現(xiàn)非�？斓膫鲗�(dǎo)，同時(shí)也是熱電轉(zhuǎn)換器的良好隔熱體。因此，研究人員正在系統(tǒng)研究該化合物家族。這項(xiàng)研究為相關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)方法提供了基準(zhǔn)，在短短幾年內(nèi)使模擬這些材料的能力取得了巨大進(jìn)步。這將有助于以虛擬方式快速模擬新化合物，以找到最佳化合物配方。”
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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