Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbete med forskare från Purdue University och Rutgers University, har slagit samman materialvetenskap och kondenserad materiens fysik i en studie av ett lovande fast material som leder litiumjoner.

Transport av joner, eller laddade atomer, genom material spelar en avgörande roll i många elektriska system – från batterier till hjärnor. För närvarande, de ledande jonledande materialen är flytande och organiska, men utvecklingen av fasta och oorganiska jonledare kan ha breda tillämpningar inom energiomvandling, bioteknik och informationsbehandling.

I den här studien, samariumnickelat, ett material som också är fast, visade sig snabbt transportera litiumjoner under vissa förhållanden. Studien publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Studien rapporterade att för samariumnickelat, kvantfenomenen som spelar inom dess molekylära struktur påverkar materialets egenskaper i större skala, och dess ovanliga strukturella egenskaper kan ge gynnsamma elektroniska egenskaper.

I en tidigare studie, forskarna upptäckte att små joner, som protoner, kunde röra sig genom samariumnickelatmaterialet mycket snabbt. "Då frågade vi vad som skulle hända om vi satte in lite större joner, som litium, in i materialet, sa Shriram Ramanathan, en medförfattare till studien och professor i materialteknik vid Purdue University.

Litiumjoner spelar en viktig roll i batterivärlden:många batterier som används idag är beroende av transporten av litiumjoner genom ett elektrolytmaterial för att underlätta flödet av elektrisk ström.

"Eftersom samariumnickelatet lätt kan transportera litiumjoner genom sitt galler vid rumstemperatur, den har potential att användas som en solid state-elektrolyt i ett batteri, sa Hua Zhou, en argonne-fysiker. "Detta faller i samma kategori som de bästa solida litiumjonledare som vi har sett."

Samariumnickelatet transporterar inte bara litium snabbt, den uppvisar också en nivå av elektriskt motstånd som är önskvärd i elektrolytmaterial. På egen hand, samariumnickelat beter sig som en metall, låter elektroner fritt passera genom dess kristallgitter. Dock, när forskare sätter in litiumjoner i materialet, fria elektroners förmåga att passera minskas med åtta storleksordningar. Detta motstånd gör att materialet kan undvika problem som ofta plågar andra flytande elektrolyter som ofta används, såsom onödig energiförlust och kortslutning.

"Vi har identifierat ett material som har bättre isolerande egenskaper än flytande elektrolyter som alkylkarbonater, som vanligtvis används i nuvarande batterier, och jonledningsförmåga sällsynt för ett fast ämne, " sa Subramanian Sankaranarayanan, forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials.

"Det är ett ganska kontraintuitivt resultat att tillförsel av elektroner till systemet gör nickelatet mer isolerande, " sa Rutgers University-forskaren Michele Kotiuga.

Kotiuga utförde de första beräkningarna för att fastställa hur materialets elektroniska struktur förändras när det introduceras till litium.

Med dessa beräkningar i hand, teamet använde sedan funktioner som erbjuds genom Argonnes unika svit av DOE Office of Science User Facilities – Advanced Photon Source (APS), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) och Center for Nanoscale Materials (CNM) – för att få en mer detaljerad beskrivning av mekanismerna som orsakar beteendet. Teamet använde också National Synchrotron Light Source-II, en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory.

APS undersökte samariumnickelatet med högintensiv röntgenstrålning när forskare gradvis tillsatte litiumet. I realtid, forskarna såg hur den elektroniska strukturen och den kemiska bindningen utvecklades ner till atomlängdskalan.

Forskarna använde också ALCF och kol, ett högpresterande datorkluster vid CNM, att simulera jonisk rörelse i gittret.

"Superdatorer blir en allt mer integrerad del av materialdesign och upptäckt, " sa ALCF:s vetenskapschef Katherine Riley. "Med våra system i ledarskapsklass, forskare kan utforska material på en aldrig tidigare skådad detaljnivå, ger insikter som i slutändan kan användas för att skräddarsy nya material för riktade applikationer."

Med hjälp av ALCF:s Mira superdator, teamet modellerade systemets dynamik för att förutsäga vilka vägar litiumjonerna skulle kunna ta genom nickelatet.

"Att beräkna vägarna var ett viktigt komplement till resten av forskningen eftersom det hjälper till att förklara beteendet vi observerade, ", sa Sankaranarayanan. "Vi kan använda denna kunskap för att återskapa och kontrollera dessa effekter i andra material."

Forskarna planerar att studera andra material som kan visa liknande egenskaper för att identifiera andra joner som samariumnickelat kan leda.