Biegsame kristalline Strukturen weisen den Weg in eine solide Energiezukunft
Ansatz des maschinellen Lernens eröffnet Einblicke in eine ganze Klasse von Materialien, die für Festkörperbatterien erforscht werden
Ein Forscherteam der Duke University und seine Mitarbeiter haben die atomaren Mechanismen aufgedeckt, die eine Klasse von Verbindungen namens Argyrodite zu attraktiven Kandidaten für Festkörperbatterie-Elektrolyte und thermoelektrische Energiewandler machen.
Veranschaulichung der hybriden kristallin-flüssigen Atomstruktur in der superionischen Phase von Ag8SnSe6 - einem Material, das vielversprechend für die Entwicklung kommerzieller Festkörperbatterien ist. Die röhrenförmigen Fäden zeigen die flüssigkeitsähnliche Verteilung der Silberionen, die durch das kristalline Gerüst aus Zinn- und Selenatomen (blau und orange) fließen.
Olivier Delaire, Duke University
Die Entdeckungen - und der Ansatz des maschinellen Lernens, mit dem sie gemacht wurden - könnten dazu beitragen, eine neue Ära der Energiespeicherung für Anwendungen wie Haushaltsbatteriewände und schnell aufladbare Elektrofahrzeuge einzuleiten.
Die Ergebnisse wurden am 18. Mai online in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
"Dies ist ein Rätsel, das bisher noch nicht geknackt wurde, weil jeder einzelne Baustein des Materials so groß und komplex ist", sagte Olivier Delaire, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften in Duke. "Wir haben die Mechanismen auf atomarer Ebene herausgearbeitet, die dazu führen, dass diese gesamte Materialklasse ein heißes Thema auf dem Gebiet der Festkörperbatterie-Innovation ist.
Da sich die Welt auf eine Zukunft mit erneuerbaren Energien zubewegt, müssen Forscher neue Technologien für die Speicherung und Verteilung von Energie an Haushalte und Elektrofahrzeuge entwickeln. Der bisherige Standard ist die Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigen Elektrolyten, die jedoch aufgrund ihres relativ geringen Wirkungsgrades und der Neigung des flüssigen Elektrolyten, gelegentlich Feuer zu fangen und zu explodieren, alles andere als eine ideale Lösung darstellt.
Diese Einschränkungen sind in erster Linie auf die chemisch reaktiven flüssigen Elektrolyte in den Lithium-Ionen-Batterien zurückzuführen, die es den Lithium-Ionen ermöglichen, sich relativ ungehindert zwischen den Elektroden zu bewegen. Sie eignen sich zwar hervorragend für die Bewegung elektrischer Ladungen, doch die flüssige Komponente macht sie empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, die zu einer Degradierung und schließlich zu einer thermischen Katastrophe führen können.
Viele öffentliche und private Forschungslabors investieren viel Zeit und Geld in die Entwicklung alternativer Festkörperbatterien aus einer Vielzahl von Materialien. Bei richtiger Entwicklung bietet dieser Ansatz ein wesentlich sichereres und stabileres Gerät mit einer höheren Energiedichte - zumindest theoretisch.
Zwar hat noch niemand einen kommerziell brauchbaren Ansatz für Festkörperbatterien gefunden, doch einer der führenden Anwärter stützt sich auf eine Klasse von Verbindungen, die Argyrodite genannt werden, benannt nach einem silberhaltigen Mineral. Diese Verbindungen bestehen aus spezifischen, stabilen kristallinen Gerüsten, die aus zwei Elementen bestehen, wobei sich ein drittes Element frei in der chemischen Struktur bewegen kann. Während einige Rezepturen wie Silber, Germanium und Schwefel in der Natur vorkommen, ist das allgemeine Gerüst so flexibel, dass die Forscher eine breite Palette von Kombinationen erstellen können.
"Jeder Hersteller von Elektrofahrzeugen versucht, neue Festkörperbatterien zu entwickeln, aber keiner von ihnen legt offen, auf welche Zusammensetzungen er setzt", so Delaire. "Wenn wir dieses Rennen gewinnen, wäre das ein Wendepunkt, denn die Autos könnten schneller laden, länger halten und gleichzeitig sicherer sein."
In der neuen Arbeit untersuchen Delaire und seine Kollegen einen vielversprechenden Kandidaten aus Silber, Zinn und Selen (Ag8SnSe6). Mithilfe einer Kombination aus Neutronen und Röntgenstrahlen ließen die Forscher diese extrem schnell bewegten Teilchen von den Atomen in den Ag8SnSe6-Proben abprallen, um deren molekulares Verhalten in Echtzeit zu untersuchen. Teammitglied Mayanak Gupta, ein ehemaliger Postdoktorand in Delaires Labor, der jetzt am Bhabha Atomic Research Center in Indien forscht, entwickelte außerdem einen Ansatz für maschinelles Lernen, um die Daten sinnvoll zu nutzen, und erstellte ein Rechenmodell, um die Beobachtungen mit Hilfe von quantenmechanischen Simulationen nach den ersten Prinzipien abzugleichen.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Zinn- und Selenatome zwar ein relativ stabiles Gerüst bilden, dieses aber alles andere als statisch ist. Die kristalline Struktur biegt sich ständig, um Fenster und Kanäle für die geladenen Silberionen zu schaffen, die sich frei durch das Material bewegen können. Das System, so Delaire, ist so, dass die Zinn- und Selengitter fest bleiben, während das Silber sich in einem fast flüssigen Zustand befindet.
"Es ist, als wären die Silberatome Murmeln, die auf dem Boden eines sehr flachen Brunnens klappern und sich bewegen, als wäre das kristalline Gerüst nicht fest", so Delaire. "Diese Dualität eines Materials, das sowohl in einem flüssigen als auch in einem festen Zustand lebt, ist das, was mich am meisten überrascht hat."
Die Ergebnisse und, was vielleicht noch wichtiger ist, der Ansatz, der fortschrittliche experimentelle Spektroskopie mit maschinellem Lernen kombiniert, sollten den Forschern helfen, schnellere Fortschritte bei der Ersetzung von Lithium-Ionen-Batterien in vielen wichtigen Anwendungen zu erzielen. Laut Delaire ist diese Studie nur eines von mehreren Projekten, die auf eine Reihe von vielversprechenden Argyroditverbindungen mit unterschiedlichen Rezepturen abzielen. Eine Kombination, bei der das Silber durch Lithium ersetzt wird, ist aufgrund ihres Potenzials für Elektroautobatterien von besonderem Interesse für die Gruppe.
"Viele dieser Materialien bieten eine sehr schnelle Leitfähigkeit für Batterien und sind gleichzeitig gute Wärmeisolatoren für thermoelektrische Wandler, daher untersuchen wir systematisch die gesamte Familie der Verbindungen", so Delaire. "Diese Studie dient dem Benchmarking unseres maschinellen Lernansatzes, der in nur wenigen Jahren enorme Fortschritte bei der Simulation dieser Materialien ermöglicht hat. Ich bin davon überzeugt, dass wir dadurch in der Lage sein werden, neue Verbindungen schnell virtuell zu simulieren, um die besten Rezepte zu finden, die diese Verbindungen zu bieten haben."
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