北京
晶体振动为锂离子开辟了移动更远距离的通道。
根据一项关于材料在原子尺度上行为的研究，一种有前景的固态电池材料在加热到260°F（400 K）以上时，能让锂离子快速移动。
研究人员利用中子散射和计算机模拟，对锂磷硫氯（称为Li₆PS₅Cl）进行了研究。他们的发现表明，其晶体结构中的振动帮助离子穿过狭窄开口并在材料中移动。
这项工作让人们更深入地了解固态电池中的一项挑战：如何让离子快速穿过固态电解质。
该团队利用橡树岭国家实验室散裂中子源的中子散射测量，观察了在一系列温度下的运动情况。
一种具有类液体离子运动的固体
电解质在电池充放电过程中在电极之间输送带电粒子。液体电解质通常比固体电解质允许离子更自由地移动，因此离子流动成为固态电池开发中的一个关键考量因素。
Li₆PS₅Cl属于一类被称为超离子导体的材料。它们保持晶体结构，同时允许某些离子以类似其在液体中运动的方式移动。
当研究人员将Li₆PS₅Cl加热到400 K以上时，它进入超离子态。锂离子随后可以在晶格中的稳定位置之间快速跳跃，为这种固体提供了快速离子传输的路径。
测量还显示，随着材料从更接近晶体的状态转向更接近液体的状态，离子的振动行为发生了变化。这种转变为该团队提供了另一种方式来考察离子迁移率增加时发生的情况。
振动打开瓶颈
离子的运动不仅仅取决于温度。研究人员发现，周围晶体框架中的特定振动帮助锂离子穿过其路径上的狭窄点位。
这些开口被称为扩散瓶颈，会随着结构振动而变化。它们的运动使离子更容易从一个晶格位点跳跃到另一个晶格位点，并移动更长的距离。
为了研究这一过程，该团队将机器学习模拟与两种中子散射技术结合起来。
这些方法共同将材料振动的变化与不同温度下锂离子扩散的变化联系起来。
这一结果有助于解释一种材料如何能够保持部分晶体特性，同时仍支持快速的、类液体的离子运动。它还将研究离子传输的两种方式联系起来：追踪粒子扩散的过程，以及考察其周围晶格的振动。
这对电池研究意味着什么
了解哪些振动有助于离子运动，可能帮助研究人员设计具有更好导电性的固态电解质。目标是获得一种兼具大量可移动离子以及化学和热稳定性的材料。
这种组合可能使固态电解质在电池中更有用，并可能带来充电速度和安全性方面的益处。
该研究确定了一种研究人员可以进一步探究的机制；它并未在成品电池中证明这些改进。这些发现也可能为其他依赖快速离子运动的技术研究提供参考，包括燃料电池和计算系统。
美国国家科学基金会（DMREF项目）、美国能源部基础能源科学办公室材料科学与工程处以及德国研究基金会为这项研究提供了部分资助。
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