锂离子流过固体材料

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家与普渡大学和罗格斯大学的研究人员合作，将材料科学和凝聚态物理合并到一个有前途的固体材料研究中，该材料可以传导锂离子。

图片说明：锂离子在一种强相关钙钛矿（称为镍钐）的晶格中迅速扩散。量子计算表明，这种快速穿梭是由于邻近四面体位置（紫色点圆）之间锂离子（如紫色球体）跳跃的低热力学势垒造成的。钐、镍和氧分别显示为黄色、绿色和红色球体，而NiO6八面体则以绿色突出显示。nbsp；

离子或带电原子通过材料的运输在许多电气系统中起着至关重要的作用——从电池到大脑。目前，主要的离子导电材料是液态和有机的，但是固体和无机离子导体的发展在能量转换、生物工程和信息处理等方面有着广泛的应用。

在这项研究中，一种同样是固体的物质——镍酸钐，被证明在一定条件下能够快速运输锂离子。这项研究发表在美国国家科学院学报上。

研究报告称，对于镍酸钐来说，分子结构中的量子现象在很大程度上影响了材料的性能，其不寻常的结构特征可以产生良好的电子性能。

在早期的一项研究中，科学家们发现小的离子，像质子一样，可以很快地通过钐镍材料。研究报告的合著者、普渡大学材料工程教授施瑞拉姆·拉马纳森说：“然后我们问，如果我们在材料中加入稍微大一点的离子，比如锂，会发生什么。”

锂离子在电池世界中扮演着重要的角色：今天使用的许多电池依靠锂离子通过电解质材料的运输来促进电流的流动。

“由于镍钐在室温下很容易使锂离子穿过晶格，因此它有可能被用作电池中的固态电解质，”阿贡物理学家周华说。“这与我们见过的最好的固态锂离子导体属于同一类别。”

镍酸钐不仅能快速运输锂，而且还显示出电解质材料所需的电阻水平。就其本身而言，镍钐的行为就像一种金属，允许电子自由地通过其晶格。然而，当科学家将锂离子插入材料中时，自由电子通过的能力降低了8个数量级。这种电阻使材料能够避免经常困扰其他常用液体电解质的问题，例如不必要的能量损失和短路。

阿贡纳米材料中心的科学家Subramanian Sankaranarayanan说：“我们已经确定了一种比液态电解质（如目前电池中常用的碳酸烷基酯）绝缘性能更好的材料，以及固体中罕见的离子导电性。”

罗格斯大学的研究员MicheleKotiuga说：“这是一个相当违反直觉的结果，向系统中添加电子会使镍层更具绝缘性。”

Kotiuga进行了第一次计算，以确定当引入锂时，材料的电子结构是如何变化的。

在进行了这些计算之后，研究小组利用阿贡独特的能源部科学用户设施套件（先进光子源（APS）、阿贡领导计算设施（ALCF）和纳米材料中心（CNM）提供的能力，以获得更详细的机制描述。E行为。该小组还利用了国家同步辐射光源II，一个位于布鲁克海文国家实验室的能源部科学用户设施办公室。

随着科学家逐渐加入锂元素，美国物理学会使用高强度X射线探测了镍钐。科学家们实时观察了电子结构和化学键是如何演变成原子长度尺度的。

科学家们还利用北马里亚纳群岛自由邦的一个高性能计算集群ALCF和Carbon来模拟晶格中的离子运动。