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研究人員發現超離子材料 適用于電池和其他能量轉換裝置

蓋世汽車 Elisha 2021-09-17 11:12:29

蓋世汽車訊 在進行研究時,科學家們通常會先精心選擇研究主題,然后再設計適當的解決計劃,并執行該計劃。然而,在這一過程中,可能會有意外的發現。據外媒報道,Mercouri Kanatzidis教授不僅是西北大學(Northwestern University)的教授,而且在美國能源部的阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)擔任聯合職務。他在尋找一種具有非常規行為的新型超導體時,有了意想不到的發現。這是一種只有四個原子厚度的材料,僅允許在二維空間內研究帶電粒子的運動。這些研究可能會推動發明用于各種能量轉換裝置的新材料。

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 二維超離子導體α-KAg3Se2的四層原子結構,原子顏色與圖中名稱顏色相符。(圖片來源:阿貢實驗室)

Kanatzidis的目標材料是一種銀、鉀和硒的混合物(α-KAg3Se2),呈四層結構,就像婚禮蛋糕一樣。這些2D材料具有長度和寬度,但幾乎沒有厚度,只有四個原子高。

超導材料在冷卻到極低溫度時,會失去所有對電子運動的阻力。Kanatzidis表示:“令人失望的是,這種材料根本不是超導體,我們也不能讓它成為超導體。但是,讓我大吃一驚的是,這竟然是一個超離子導體的夢幻般的例子。”

在超離子導體中,帶電離子在固體材料中,可以像在電池的液體電解質中一樣自由漫游,從而使固體具有異常高的離子電導率,這是導電能力的衡量標準。這種高離子電導率帶來了低熱導率,這意味著熱量不容易通過。這兩種特性加在一起,使超離子導體成為可用于能量存儲和轉換設備的超級材料。

該研究小組發現了這種具有特殊性質的材料,第一條線索是,當把這種材料加熱到華氏450-600度之間時,它會轉變為一種更對稱的分層結構。研究人員還發現,當降低溫度,然后再升到高溫區時,這種轉變是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示:“分析結果顯示,在轉變之前,銀離子被固定在材料中有限的二維空間內。然而,在發生轉變之后,它們會左右搖擺。”雖然人們對離子在三維空間中的運動了解很多,但對其在二維空間中的運動卻知之甚少。

一段時間以來,科學家們一直在尋找一種示范性材料,以用于研究2D材料中的離子運動。這種層狀鉀銀硒材料似乎可成為其中之一。該團隊測量了離子在這種固體中的擴散方式,發現它與重鹽水電解質(已知最快的離子導體之一)相當。

現在判斷這種特殊的超離子材料是否可以得到實際應用,還為時過早。但是,這種材料馬上就可以成為設計其他具有高離子導電性和低導熱系數2D材料的關鍵平臺。MSD首席材料科學家Duck Young Chung表示:“對于設計用于電池和燃料電池的新型二維固體電解質而言,這些特性具有重要意義。”

對這種超離子材料的研究,也可能有助于設計新的熱電材料,在發電廠、工業過程甚至汽車尾氣中,將熱能轉化為電能。這些研究可用于設計用于環境凈化和水淡化的膜。

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