美國能源部阿貢國家實驗室的科學家與普渡大學和羅格斯大學研究人員合作，將材料科學和凝聚態物理學結合起來，研究一種很有前途的固體材料，這種固體材料可以導電鋰離子。從電池到大腦，離子或帶電原子在許多電子系統中扮演著至關重要的角色。
目前，主要的離子導電材料是液體和有機材料，而固體和無機離子導體的發展在能量轉換、生物工程和信息處理等方面具有廣闊應用前景。在本研究中，鎳酸釤作為一種固體材料，在一定條件下可以快速運輸鋰離子。
博科園-科學科普：其研究發表在《美國國家科學院院刊》上，研究表明，對於鎳酸釤，其分子結構中的量子現象在更大範圍內影響材料的性能，其不同尋常的結構特徵可以產生良好的電子性能。在早期的一項研究中，科學家們發現，像質子這樣的小離子可以非常快地穿過釤鎳酸鹽材料。該研究的合作者、普渡大學(Purdue University)材料工程學教授施拉姆拉馬納坦(Shriram Ramanathan)說：然後我們問，如果把稍大一點的離子，比如鋰，插入到材料中會發生什麼？
- 鋰離子在一種叫做釤鎳酸鈣的強相關鈣鈦礦晶格內迅速擴散。量子計算表明，這種快速穿梭的發生是由於鋰離子(以紫色球體表示)在相鄰四面體位置(紫色虛線圓圈)之間跳躍時所產生的低熱力學勢壘。釤、鎳和氧分別顯示為黃色、綠色和紅色球體，而NiO6八面體則用綠色突出顯示。圖片：Argonne National Laboratory
鋰離子在電池世界中扮演著重要角色：今天使用的許多電池依賴於鋰離子通過電解質材料的運輸來促進電流流動。阿爾貢物理學家華洲說：由於釤鎳酸鹽在室溫下可以很容易地將鋰離子穿過晶格，它有可能被用作電池中的固態電解質，這與我們所見過最好的固體鋰離子導體屬於同一類別。釤鎳酸鹽不僅能快速運輸鋰，還能在電解液材料中顯示出理想的電阻水平。就其本身而言，釤鎳酸鹽的行為像金屬，允許電子自由地通過其晶格。然而，當科學家將鋰離子插入材料中時，自由電子通過材料的能力降低了8個數量級。
這種電阻使材料避免了經常困擾其他常用液體電解質的問題，如不必要的能量損失和短路。阿貢納米材料中心的科學家Subramanian Sankaranarayanan說：我們已經確定了一種材料，它具有比液體電解質更好的絕緣性能，如烷基碳酸鹽巖，這是目前電池中常用的，並且離子導電率對固體來說很罕見。羅格斯大學研究員Michele Kotiuga說：向系統中添加電子會使鎳酸鹽更加絕緣，這是一個相當違反直覺的結果。Kotiuga進行了第一次計算，以確定這種材料被引入鋰元素後電子結構的變化。
有了這些計算，研究小組使用了通過先進光子源(APS)、阿貢領導計算設施(ALCF)和納米材料中心(CNM)等美國能源部科學用戶設備辦公室提供的獨特功能，以獲得導致這種行為機制的更詳細描述。該團隊還利用了美國能源部布魯克黑文國家實驗室科學用戶設施辦公室的國家同步加速器光源ii。隨著科學家們逐漸加入鋰元素，APS用高強度x射線探測了釤鎳酸鹽。科學家們實時觀察了電子結構和化學鍵是如何發展到原子長度尺度的。科學家們還利用ALCF和CNM的高性能計算集群Carbon來模擬晶格中的離子運動。
ALCF科學主任凱瑟琳·賴利說：超級計算機正日益成為材料設計和發現中不可或缺的一部分，有了領導階層系統，研究人員可以以前所未有的細節水平探索材料，提供見解，最終可用於為目標應用量身定製新材料。利用ALCF的Mira超級計算機，研究小組模擬了系統的動力學，以預測鋰離子通過鎳酸鹽的途徑。Sankaranarayanan說：計算這些路徑是對其他研究的一個重要補充，因為它有助於解釋我們觀察到的行為，可以利用這些知識在其他材料中重現和控制這些效果。科學家們計劃研究其他可能具有類似性質的材料，以確定鎳酸釤可以傳導的其他離子。
博科園-科學科普｜研究/來自: 美國能源部/Savannah Mitchem
參考期刊文獻:《美國國家科學院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1805029115
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