Исследователи изучали схему передвижения ионов натрия в твердотельном аккумуляторе

Подавляющее большинство аккумуляторов работает за счёт перемещения электронов между электродами через электролит. Он подбирается таким образом, чтобы сбалансировать эту передачу энергии и обеспечить оптимальное перемещение электронов через это вещество. От того, насколько быстро и легко ионы могут перемещаться через электролит, зависит скорость заряда аккумулятора и отдача энергии за единицу времени.

Изображение: duke.edu

Доцент кафедры машиностроения и материаловедения Университета Дьюка, Оливье Делэр (Olivier Delaire), сказал, что большинство исследователей сосредоточены на решении проблемы прохождения ионов через кристаллический каркас твёрдого электролита. В последнее время специалисты начали понимать, что следует заняться изучением молекулярной динамики для понимания этого процесса.

Натрий-ионные аккумуляторы имеют энергетическую плотность ниже, чем системы Li-Ion. Однако у них есть много других потенциальных преимуществ. Главным является большая распространённость натрия на планете и его дешевизна по сравнению с литием. Другие составные части электрохимической системы с натрием также являются более доступными. При замене жидкого электролита твёрдотельным материалом учёные планируют создать аккумуляторы на основе натрия с более высокой энергоёмкостью. Эти модели будут более стабильными и не будут нести с собой такой высокий риск воспламенения при повреждении, как литий.

Все эти преимущества заставляют ученых рассматривать натрий ионные аккумуляторы в качестве жизнеспособной и коммерческие выгодной замены Li-Ion по некоторым направлениям. Например, в качестве хранилищ энергии для различных зданий. Например, это могут быть центры обработки данных, где может потребоваться автономность в течение длительного периода времени.

Как отмечает Делэр, пока нет чёткого фундаментального понимания, какие материалы лучше всего работают в качестве электролита в твердотельных натрий-ионных аккумуляторах. Их исследовательская группа занималась изучением атомной динамики, которая позволяет одному экспериментальному материалу обеспечивать быструю и эффективную транспортировку ионов натрия. Материал, который они изучали, называется тиофосфат натрия Na₃PS₄. Исследователям уже было известно, что кристаллическая структура атомов фосфора и серы создает одномерный туннель, через который проходят ионы натрия. Но, по словам Делэра, до них никто не пытался выяснить роль, которую играет движение соседних атомов.

Для прояснения этого вопроса Делэр с коллегами отдали образцы исследуемого материала в Окриджскую национальную лабораторию. Там были сделаны снимки точного движения атомов. Результаты исследования показали, что фосфорно-серные блоки PS₄ в форме пирамиды, обрамляющие эти одномерные туннели, крутятся и поворачиваются на месте. Учёные назвали это «гребными колесами», которые помогают передвигаться ионам натрия.

Делэр сказал, что этот процесс в теории обсуждался и раньше, но сейчас им удалось привести аргументы. Им удалось продемонстрировать, что на самом деле происходит с атомами. В реальности процесс значительно сложнее, но общее представление о нём теперь есть. Результаты удалось получить посредством компьютерного моделирования атомной динамики в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований. Исследователи использовали технологию машинного обучения, чтобы зафиксировать поверхность потенциальной энергии, на которой вибрируют и двигаются атомы. Такой подход позволил ускорить расчёты на несколько порядков, благодаря отсутствию необходимости пересчитывать квантово-механические силы в каждый момент времени.

Учёные надеются, что благодаря новому взгляду на динамику ионов натрия в исследуемом электролите, будет выработан новый подход к моделированию их поведения. Тогда с Na₃PS₄ начнётся движение по исследованию других подходящих материалов. Например, существует несколько иная версия этого электролита, где вместо фосфора используется сурьма. Но в целом, весь подход, идеи и инструменты для исследования можно использовать из уже проведённого эксперимента.

Подробное описание исследования и его результаты исследовательская группа опубликовала здесь.