Det finns för närvarande en stark efterfrågan på att ersätta organiska flytande elektrolyter som används i konventionella uppladdningsbara batterier, med solid-state jonledare som gör att batterierna blir säkrare och har högre energitäthet.

För detta ändamål, mycket ansträngning har ägnats åt att hitta material med överlägsen jonledningsförmåga. Bland de mest lovande, är solid-state jonledare som innehåller polyanjoner som B ₁₂ H ₁₂ ^2- (Fig. la). De utgör en speciell klass av material på grund av deras unika transportbeteende, som har polyanjonerna roterande vid en förhöjd temperatur, vilket i hög grad främjar katjonledningsförmågan.

Dock, en stor nackdel är den höga temperatur (=energi) som krävs för att aktivera rotationen, vilket omvänt betyder låga konduktiviteter vid rumstemperatur.

För att lösa det problemet, en forskargrupp vid Tohoku University, ledd av docent Shigeyuki Takagi och professor Shin-ichi Orimo, har etablerat en ny princip för överjonisk ledning i rumstemperatur. Dess resultat publicerades nyligen i Tillämpad fysikbokstäver .

Forskargruppen kunde minska aktiveringstemperaturen genom att använda övergångsmetallhydridkomplex som en ny klass av roterbara polyanjoner, varvid väte är den enda ligandarten, kovalent bindning till enstaka övergångsmetaller. Till skillnad från i B ₁₂ H ₁₂ ^2- polyanjoner (fig. la), rotationen av övergångsmetallhydridkomplex kräver endast förskjutningar av mycket rörligt väte (fig. 1b, 1c) och kan därför förväntas inträffa med låg aktiveringsenergi.

Gruppen studerade sedan dynamiken hos övergångsmetallhydridkomplex i flera befintliga hydrider, och fann dem omorienterade - som om de roterade genom att upprepa små deformationer (Fig. 2) - även vid rumstemperatur.

Denna typ av rörelse är känd som "pseudorotation, " och observeras sällan i fast materia. På grund av de små förskjutningarna av väteatomer, aktiveringsenergin för pseudorotationen är relativt låg – mer än 40 gånger lägre än vad som enligt uppgift behövs för rotationen av B ₁₂ H ₁₂ ^2- .

Som ett resultat av att en katjonledning främjas från ett lågtemperaturområde genom pseudorotation, litiumjonkonduktiviteten i Li ₅ MoH ₁₁ innehållande MoH ₉ ^3- (Fig. 1b), till exempel, kan nå 79 mS cm ^-1 vid rumstemperatur (fig. 3). Detta är mer än tre gånger världsrekordet i rumstemperatur av litiumjonledningsförmåga som rapporterats hittills. Detta tyder på att ett hel-solid-state litiumjonbatteri med kortare laddningstid vid rumstemperatur kan realiseras.

Den upptäckta mekanismen är ganska generell och skulle vara användbar för att sänka den temperatur som krävs för att aktivera rotationen av polyanjoner. Detta kan positivt bidra till att hitta kompositioner som är mottagliga för rumstemperatur superjoniska ledare.