Батареи и топливные элементы часто зависят от процесса, известного как диффузия ионов. При диффузии ионов ионизированные атомы движутся через твердые материалы, аналогично процессу поглощения воды рисом при варке. Как и при приготовлении риса, диффузия ионов невероятно зависит от температуры и требует, чтобы высокие температуры протекали быстро.
Эта температурная зависимость может быть ограничивающей, поскольку материалы, используемые в некоторых системах, таких как топливные элементы, должны выдерживать высокие температуры, иногда превышающие 1000 градусов по Цельсию. В новом исследовании группа исследователей из Массачусетского технологического института и Университета Мюнстера в Германии показала новый эффект, при котором диффузия ионов усиливается, пока материал остается холодным, за счет возбуждения только избранного количества колебаний, известных как фононы. Этот новый подход, который команда называет « фононным катализом», может привести к совершенно новой области исследований. Их работа была опубликована в Cell Reports Physical Science .
В исследовании группа ученых использовала вычислительную модель, чтобы определить, какие колебания действительно заставляли ионы перемещаться во время диффузии ионов. Вместо того, чтобы увеличивать температуру всего материала, они увеличивали температуру только тех конкретных колебаний в процессе, который они называют целевым возбуждением фононов.
«Мы только нагревали вибрации, которые имеют значение, и тем самым мы смогли показать, что можно сохранить материал холодным, но при этом он будет вести себя так, как будто он очень горячий», — говорит Асегун Генри, профессор машиностроения и соавтор. исследования.
Эта способность сохранять материалы в холодном состоянии во время диффузии ионов может иметь широкий спектр применений. В примере с топливными элементами, если не требуется, чтобы весь элемент подвергался воздействию чрезвычайно высоких температур, инженеры могли бы использовать более дешевые материалы для их изготовления. Это снизит стоимость топливных элементов и поможет им прослужить дольше, решив проблему короткого срока службы многих топливных элементов.
Этот процесс также может иметь последствия для литий-ионных аккумуляторов.
«Открытие новых ионных проводников имеет решающее значение для развития литиевых батарей, и возможности включают использование металлического лития, который потенциально может удвоить энергию литий-ионных аккумуляторов. К сожалению, фундаментальное понимание ионной проводимости отсутствует», — добавляет Ян Шао. Хорн, профессор энергетики WM Keck и соавтор.
Эта новая работа основана на ее предыдущем исследовании , в частности на работе доктора философии Соксейхи Муй. о принципах проектирования ионных проводников, который показывает снижение энергии фононов в структурах, снижает барьер для диффузии ионов и потенциально увеличивает ионную проводимость. Киараш Гордиз, постдок, работающий совместно с группой Генри по атомному моделированию и исследованиям энергии и лабораторией электрохимической энергии Шао-Хорна, задался вопросом, могут ли они совместить исследования Шао-Хорна по ионной проводимости с исследованиями Генри по теплопередаче.
«Используя предыдущую работу профессора Шао-Хорна по ионным проводникам в качестве отправной точки, мы решили точно определить, какие фононные моды вносят вклад в диффузию ионов», — говорит Гордиз.
Генри, Гордиз и их команда использовали модель фосфата лития, который часто встречается в литий-ионных батареях . Используя вычислительный метод, известный как анализ нормального режима, наряду с расчетами смещения эластичных лент и моделированием молекулярной динамики, исследовательская группа количественно вычислила, какой вклад каждый фонон вносит в процесс диффузии ионов в фосфате лития.
Вооруженные этими знаниями, исследователи могут использовать лазеры для избирательного возбуждения или нагрева определенных фононов, вместо того, чтобы подвергать весь материал воздействию высоких температур. Этот метод может открыть новый мир возможностей.
Рассвет новой области
Генри считает, что этот метод может привести к созданию новой области исследований, которую он называет «фононным катализом». В то время как новая работа сосредоточена конкретно на диффузии ионов, Генри видит приложения в химических реакциях, фазовых превращениях и других явлениях, зависящих от температуры.
«Наша группа очарована идеей, что теперь, когда у нас есть методика, позволяющая определять, какие фононы имеют значение, вы можете стимулировать все, что угодно, — говорит Генри. «Все эти реакции, которые обычно требуют экстремальных температур, теперь могут происходить при комнатной температуре».
Генри и его команда начали изучать потенциальные применения фононного катализа. Гордиз рассматривал возможность использования метода для литиевых суперионных проводников, которые можно было бы использовать в чистом накоплении энергии. Команда также рассматривает такие области применения, как создание сверхпроводников при комнатной температуре и даже создание алмазов, для которых требуется чрезвычайно высокое давление и температура, которые могут возникнуть при гораздо более низких температурах посредством фононного катализа.
«Эта идея избирательного возбуждения, сосредоточенного только на тех частях, которые вам нужны, а не на всем, может стать очень большим сдвигом парадигмы того, как мы работаем, — говорит Генри. «Мы должны начать думать о температуре как о спектре, а не как о единственном числе».
Исследователи планируют показать больше примеров направленного возбуждения фононов, работающих в различных материалах. Двигаясь вперед, они надеются продемонстрировать экспериментальную работу своей вычислительной модели на этих материалах.
Дополнительная информация: Киараш Гордиз и др., Улучшение диффузии ионов за счет направленного фононного возбуждения, Cell Reports Physical Science (2021). DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100431
Иллюстрация: Используя модель фосфата лития, исследователи вычислили, какой вклад каждый фонон вносит в процесс диффузии ионов. Вооруженные этими знаниями, исследователи могут использовать лазеры для избирательного возбуждения или нагрева определенных фононов, вместо того, чтобы подвергать весь материал воздействию высоких температур. Это может привести к появлению недорогих топливных элементов и батарей, а также многих других применений.