據外媒報道，杜克大學（Duke University）的研究團隊及其合作者發(fā)現了硫銀鍺礦（argyrodites）化合物的原子機制，使其成為固態(tài)電池電解質和熱電能量轉換器的有吸引力選項。

（圖片來源：杜克大學）

 

       這些發(fā)現及制造材料使用的機器學習方法，或將推動實現家用電池墻和快充電動汽車等儲能應用新時代。

 

       杜克大學機械工程和材料科學副教授Olivier Delaire表示：“這是一個以前從未被破解的難題，因為這些材料的各個構成部分都很大且復雜。研究人員已從原子層面梳理出相關機制，使這類材料成為固態(tài)電池創(chuàng)新領域的熱門話題。”

 

       目前使用的鋰離子電池大多采用電解液。然而，由于電池效率相對較低，而且電解液存在起火和爆炸的可能性，遠非理想的解決方案。理論上來說，固態(tài)電池更加安全、更穩(wěn)定、能量密度更高。其中一個主要競爭選項依賴于一類稱為硫銀鍺礦的化合物。這些化合物由穩(wěn)定的晶體框架構成，該晶體框架由兩種元素組成，第三種元素可以在化學結構中自由移動。雖然銀、鍺和硫等元素為天然存在，但總體框架具有足夠的靈活性，研究人員可以創(chuàng)建各種組合。

 

       在這項研究中，該團隊研究一種由銀、錫和硒（Ag8SnSe6）制成的富有前景的候選材料。研究人員結合使用中子和X射線，將這些極快移動的粒子從Ag8SnSe6樣品的原子中彈開，以實時揭示其分子行為。研究人員Mayanak Gupta還開發(fā)了一種機器學習方法來理解數據，并創(chuàng)建了一個計算模型，以匹配使用第一性原理的量子力學模擬觀測結果。

 

       結果表明，錫和硒原子創(chuàng)造了一個相對穩(wěn)定的支架，但遠非靜態(tài)。晶體結構不斷地彎曲，為帶電銀離子創(chuàng)造了窗口和通道，使其可在材料中自由移動。換句話說，錫和硒晶格保持固態(tài)，而銀晶格幾乎處于液態(tài)。Delaire表示：“銀原子有點像彈珠，在很淺的井底四處移動并發(fā)出嘎嘎聲，似乎晶體支架不堅固。這種材料具有介于液態(tài)和固態(tài)之間的雙重性，是最令人驚訝的地方。”

 

       或許更重要的是，借助于將先進的實驗光譜與機器學習相結合的方法，研究人員有可能在許多關鍵應用中加快取代鋰離子電池。據介紹，這只是系列研究項目之一，這些項目旨在研究由不同配方組成的各種富有前景的硫銀鍺礦化合物。考慮到用于電動汽車電池的潛力，該團隊尤其關注一種用鋰取代銀的組合。

 

       Delaire表示：“很多材料有助于在電池中實現非常快的傳導，同時也是熱電轉換器的良好隔熱體。因此，研究人員正在系統(tǒng)研究該化合物家族。這項研究為相關機器學習方法提供了基準，在短短幾年內使模擬這些材料的能力取得了巨大進步。這將有助于以虛擬方式快速模擬新化合物，以找到最佳化合物配方。”