適用于電池和其他能量轉(zhuǎn)換裝置的超級(jí)材料

計(jì)劃外的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致未來在電池、燃料電池、將熱轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備等方面的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家通常通過仔細(xì)選擇研究問題、制定解決問題的適當(dāng)計(jì)劃并執(zhí)行該計(jì)劃來進(jìn)行研究。但是，計(jì)劃外的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在此過程中發(fā)生。

與美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合任命的西北大學(xué)教授 Mercouri Kanatzidis 正在尋找一種具有非常規(guī)行為的新超導(dǎo)體時(shí)，他有了一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。它是一種只有四個(gè)原子厚的材料，只允許研究帶電粒子在二維中的運(yùn)動(dòng)。這樣的研究可以刺激用于各種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的新材料的發(fā)明。

“我們的分析結(jié)果表明，在這種轉(zhuǎn)變之前，銀離子固定在我們材料二維范圍內(nèi)的密閉空間中，但在這種轉(zhuǎn)變之后，它們會(huì)四處擺動(dòng)。”— Mercouri Kanatzidis，與阿貢大學(xué)和西北大學(xué)聯(lián)合任命

Kanatzidis 的目標(biāo)材料是銀、鉀和硒 (α-KAg3Se2) 的四層結(jié)構(gòu)組合，就像結(jié)婚蛋糕一樣。這些二維材料有長(zhǎng)有寬，但只有四個(gè)原子高，幾乎沒有厚度。

當(dāng)冷卻到非常低的溫度時(shí)，超導(dǎo)材料會(huì)失去對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的所有阻力。â <“令我失望的是，這種材料根本不是超導(dǎo)體，我們無法將其制成，”阿貢材料科學(xué)部 (MSD) 的高級(jí)科學(xué)家 Kanatzidis 說。â <“但令我驚訝的是，它竟然是超離子導(dǎo)體的絕佳例子。”

在超離子導(dǎo)體中，固體材料中的帶電離子就像在電池中的液體電解質(zhì)中一樣自由漫游。這導(dǎo)致固體具有異常高的離子電導(dǎo)率，這是導(dǎo)電能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。這種高離子電導(dǎo)率帶來了低熱導(dǎo)率，這意味著熱量不容易通過。這兩種特性使超離子導(dǎo)體成為用于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備的超級(jí)材料。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種具有特殊性質(zhì)的材料的第一個(gè)線索是當(dāng)他們將其加熱到 450 到 600 華氏度之間時(shí)。它轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼘?duì)稱的分層結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們降低溫度，然后再次將其升高到高溫區(qū)時(shí)，這種轉(zhuǎn)變是可逆的。

“我們的分析結(jié)果表明，在這種轉(zhuǎn)變之前，銀離子被固定在我們材料的二維空間內(nèi)的密閉空間中，”Kanatzidis 說。â <“但是在這種轉(zhuǎn)變之后，他們搖擺不定。”雖然人們對(duì)離子如何在三維空間中移動(dòng)了解很多，但對(duì)它們?nèi)绾蝺H在二維空間中移動(dòng)知之甚少。

科學(xué)家們一直在尋找一種示例材料來研究二維材料中的離子運(yùn)動(dòng)。這種分層的鉀-銀-硒材料似乎是一種。該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了離子在這種固體中的擴(kuò)散方式，發(fā)現(xiàn)它與重鹽水電解質(zhì)(已知最快的離子導(dǎo)體之一)相當(dāng)。

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