插图显示固体电解质Na3PS4的原子结构，在PS43-聚阴离子(橙色)之间有钠离子通道(紫色)。黑色箭头表示移动的钠离子与主体结构的群振动的耦合运动，包括四面体聚阴离子的扭曲，类似于桨轮的扭曲。功劳:杜克大学材料科学家奥利维尔·德莱尔(Olivier Delaire)杜克大学的材料科学家揭示了类桨状分子动力学，有助于推动钠离子通过快速发展的固态电池。这些见解应该能指导研究人员追求新一代钠离子电池，以取代锂离子技术在数据中心和家庭储能等广泛应用中的地位。该结果发表在11月10日的《能源与环境科学》杂志上。
一般来说，可充电电池的工作原理是通过外部电线将电子从一侧移动到另一侧，然后再移动回来。为了平衡这种能量转移，带电荷的原子称为离子，如锂离子，通过一种叫做电解质的化学物质在电池内移动。这些离子旅行的速度和难易程度对电池的充电速度和在给定时间内提供的能量起着关键作用。
杜克大学机械工程和材料科学副教授奥利维尔·德莱尔说:“大多数研究人员仍然倾向于关注固体电解质的晶体框架如何允许离子快速通过全固态电池。“在过去的几年里，该领域开始意识到原子如何跳跃的分子动力学也很重要。”
从微型智能手表到大型数据中心，锂离子电池长期以来一直是大多数需要储能的商业应用的主导技术。虽然锂离子电池非常成功，但它有几个缺点，这使得新技术在某些应用中更具吸引力。
例如，锂离子电池内部有一种液体电解质，虽然它能非常有效地让锂离子快速通过，但也非常易燃。随着市场继续呈指数级增长，人们担心能否从相对有限的全球矿藏中开采出足够的锂。ir结构中使用的一些稀土元素——如钴和锰——更为稀有，仅在世界上少数几个地方开采。
许多研究人员认为，替代技术对于补充激增的储能需求是必要的，其中一个主要候选是钠离子电池。虽然能量密度和速度不如他们的锂离子电池，但这项技术有许多潜在的优势。钠比锂便宜和丰富得多。组成零件所需的材料也更容易获得。通过用固态电解质材料代替液态电解质，研究人员可以制造全固态电池，与目前可用的可充电电池相比，这种电池有望更节能、更稳定、更不易着火。
这些优势导致研究人员认为钠离子电池是锂离子电池的潜在可行替代品，应用领域不像轻薄智能手机或轻型电动汽车那样受到空间和速度要求的限制。例如，长期需要大量能源的大型数据中心或其他建筑物是很好的候选对象。
“这通常是一个非常活跃的研究领域，人们正在竞相开发下一代电池，”Delaire说。“然而，对于什么材料在室温下工作良好或为什么工作良好，还没有足够强的基础理解。我们正在提供对原子动力学的见解，使一个受欢迎的候选人能够快速有效地运输其钠离子。”
在这些实验中研究的材料是硫代磷酸钠，Na3PS4。研究人员已经知道，磷和硫原子的晶体结构为钠离子穿过创造了一维隧道。但是正如德莱尔解释的那样，没有人去观察相邻原子的运动是否也起着重要的作用。
为了找到答案，德莱尔和他的同事们把材料样本带到了橡树岭国家实验室。通过以极快的速度将中子从原子上反弹回来，研究人员捕捉到了原子精确运动的一系列快照。结果表明，构成隧道的金字塔形磷硫PS4单元在适当的位置扭曲和转动，几乎就像桨轮一样帮助钠离子通过。
“这个过程以前已经被理论化了，但是争论通常是以漫画的方式进行的，”德莱尔说。“这里我们展示了原子实际上在做什么，并表明虽然这幅漫画有一点真实性，但它也要复杂得多。”
研究人员在国家能源研究科学计算中心通过计算模拟原子动力学证实了中子散射的结果。该团队使用机器学习方法来捕捉原子振动和移动的势能面。由于不需要在每个时间点重新计算量子力学力，该方法将计算速度提高了几个数量级。
凭借对一种钠离子电解质原子动力学的新见解和快速模拟其行为的新方法，Delaire希望这些结果将有助于推动该领域更快地向前发展，从Na3PS4到更远。
“即使这是领先的材料之一，因为它的高离子电导率，已经有一个稍微不同的版本正在追求，使用锑而不是磷，”Delaire说。“但是，尽管该领域的发展速度很快，但我们在本文中展示的见解和工具应该可以帮助研究人员更好地决定下一步的发展方向。”
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