Ag8SnSe6’nın süperiyonik fazındaki hibrit kristal-sıvı atomik yapısının bir örneği — ticari katı hal pillerine izin verme konusunda büyük umut vadeden bir malzeme. Tüp benzeri filamentler, kalay ve selenyum atomlarının (mavi ve turuncu) kristal yapı iskelesinden akan gümüş iyonlarının sıvı benzeri dağılımını gösterir. Kredi: Olivier Delaire, Duke Üniversitesi
Makine öğrenimi tekniklerinin kullanımı, katı hal piller için araştırılmakta olan geniş bir malzeme kategorisine ilişkin değerli içgörüler ortaya koymaktadır.
Duke Üniversitesi’nden araştırmacılar ve ilişkili ortaklar, argyroditler olarak bilinen bir grup maddeyi, katı hal pil elektrolitleri ve termoelektrik enerji dönüştürücüler için umut verici beklentiler haline getiren atomik mekaniği ortaya çıkardılar.
Bir makine öğrenimi yaklaşımıyla mümkün olan bulguları, potansiyel olarak enerji depolama alanındaki gelişmelerin önünü açacaktır. Bu tür ilerlemeler, ev tipi pille çalışan duvarlar ve hızlı şarj olan elektrikli araçlar gibi kullanımlar için faydalı olabilir.
Sonuçlar yakın zamanda Nature Materials dergisinde yayınlandı.
“Bu, şimdiye kadar ortaya çıkmış bir bilmece. Duke’ta makine mühendisliği ve malzeme bilimi doçenti Olivier Delaire, “Malzemenin her bir yapı taşının ne kadar büyük ve karmaşık olduğu nedeniyle daha önce kırılmamıştı” dedi. “Tüm bu malzeme sınıfının, katı hal pil inovasyonu alanında sıcak bir konu olmasına neden olan atomik düzeydeki mekanizmaları ayrıntılı olarak açıkladık.”
Dünya inşa edilmiş bir geleceğe doğru ilerlerken Yenilenebilir enerji konusunda araştırmacılar, enerjiyi depolamak ve evlere ve elektrikli araçlara dağıtmak için yeni teknolojiler geliştirmelidir. Bu noktaya kadar standart taşıyıcı, sıvı elektrolitler içeren lityum iyon pil olsa da, nispeten düşük verimliliği ve sıvı elektrolitin ara sıra alev alıp patlama eğilimi göz önüne alındığında ideal bir çözüm olmaktan uzaktır.
Bu sınırlamalar Lityum iyonlarının elektrotlar arasında nispeten engelsiz hareket etmesine izin veren Li-ion pillerin içindeki kimyasal olarak reaktif sıvı elektrolitlerden kaynaklanır. Elektrik yüklerini hareket ettirmek için harika olsa da sıvı bileşen, onları bozulmaya ve sonunda kontrolden çıkmış bir termal felakete neden olabilecek yüksek sıcaklıklara karşı hassas hale getirir.
Pek çok kamu ve özel araştırma laboratuvarı, bunları gerçekleştirmek için çok fazla zaman ve para harcıyor. çeşitli malzemelerden alternatif katı hal pilleri geliştirin. Doğru bir şekilde tasarlanırsa, bu yaklaşım en azından teoride daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip çok daha güvenli ve daha kararlı bir cihaz sunar.
Henüz kimse katı hal pillere yönelik ticari olarak uygun bir yaklaşım keşfetmemiş olsa da, önde gelen yöntemlerden biri yarışmacılar, adını gümüş içeren bir mineralden alan argyroditler adı verilen bir bileşik sınıfına dayanır. Bu bileşikler, üçüncüsü kimyasal yapı etrafında serbestçe hareket edebilen iki elementten oluşan spesifik, kararlı kristal çerçevelerden yapılmıştır. Gümüş, germanyum ve kükürt gibi bazı tarifler doğal olarak oluşsa da genel çerçeve, araştırmacıların çok çeşitli kombinasyonlar oluşturmasına yetecek kadar esnektir.
“Her elektrikli araç üreticisi yeni katı- durum pil tasarımları, ancak hiçbiri hangi kompozisyonlara bahis oynadıklarını açıklamıyor, ”dedi Delaire. “Bu yarışı kazanmak ezber bozacak çünkü arabalar aynı anda daha hızlı şarj olabilir, daha uzun süre dayanabilir ve daha güvenli olabilir.”
Yeni makalede, Delaire ve meslektaşları gümüşten yapılmış gelecek vadeden bir adaya bakıyorlar: kalay ve selenyum (Ag8SnSe6). Araştırmacılar, moleküler davranışını gerçek zamanlı olarak ortaya çıkarmak için nötronlar ve x-ışınlarının bir kombinasyonunu kullanarak bu son derece hızlı hareket eden parçacıkları Ag8SnSe6 örnekleri içindeki atomlardan sektirdi.
Ekip üyesi Mayanak Gupta, eski bir postdoc Şu anda Hindistan’daki Bhabha Atomik Araştırma Merkezi’nde araştırmacı olan Delaire’in laboratuvarı da verileri anlamlandırmak için bir makine öğrenimi yaklaşımı geliştirdi ve ilk prensipler kuantum mekanik simülasyonlarını kullanarak gözlemleri eşleştirmek için bir hesaplama modeli oluşturdu.
{ 8}Sonuçlar, kalay ve selenyum atomlarının nispeten kararlı bir iskele oluşturmasına rağmen statik olmaktan uzak olduğunu gösterdi. Kristal yapı, yüklü gümüş iyonlarının malzeme içinde serbestçe hareket etmesi için pencereler ve kanallar oluşturmak üzere sürekli olarak esner. Delaire, sistemin kalay ve selenyum kafeslerinin katı kalmasına, gümüşün ise neredeyse sıvı benzeri bir duruma gelmesine benzediğini söyledi.
“Gümüş atomları, bir kuyunun dibinde takırdayan misketler gibi bir şey. çok sığ, kristal yapı iskelesi gibi hareket etmek sağlam değil,” dedi Delaire. “Hem sıvı hem de katı hal arasında yaşayan bir malzemenin bu ikiliği, en şaşırtıcı bulduğum şeydi.”
Sonuçlar ve belki daha da önemlisi, gelişmiş deneysel spektroskopi ile makine öğrenimini birleştiren yaklaşım, araştırmacıların birçok önemli uygulamada lityum iyon pillerin değiştirilmesine yönelik daha hızlı ilerleme. Delaire’e göre bu çalışma, farklı tarifler içeren çeşitli gelecek vaat eden argyrodite bileşiklerini hedefleyen bir dizi projeden sadece biri. Gümüşü lityumla değiştiren bir kombinasyon, EV pilleri potansiyeli göz önüne alındığında grup için özellikle ilgi çekici.
“Bu malzemelerin çoğu, termoelektrik dönüştürücüler için iyi ısı yalıtkanları olurken piller için çok hızlı iletkenlik sağlıyor. sistematik olarak tüm bileşik ailesine bakıyoruz,” dedi Delaire. “Bu çalışma, bu malzemeleri yalnızca birkaç yıl içinde simüle etme yeteneğimizde muazzam ilerlemeler sağlayan makine öğrenimi yaklaşımımızı karşılaştırmaya hizmet ediyor. Bunun, bu bileşiklerin sunduğu en iyi tarifleri bulmak için yeni bileşikleri sanal olarak hızlı bir şekilde simüle etmemize olanak sağlayacağına inanıyorum.”
Referans: “Aşırı fonon uyumsuzluğu, argyrodite Ag8SnSe6’da süperiyonik difüzyonun ve ultra düşük termal iletkenliğin temelini oluşturur”, Qingyong Ren , Mayanak K. Gupta, Min Jin, Jingxuan Ding, Jiangtao Wu, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Oscar Fabelo, Jose Alberto Rodríguez-Velamazán, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Marcell Wolf, Fengfeng Zhu, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng, Guohua Wang , Xin Tong, Yanzhong Pei, Olivier Delaire ve Jie Ma, 18 Mayıs 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01560-x
Bu çalışma desteklenmiştir Guangdong Temel ve Uygulamalı Temel Araştırma Vakfı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü, Çin Bilim Akademisi, Anahtar Yapay Yapılar ve Kuantum Kontrol Laboratuvarı Açık projesi, ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından Shanghai Education Development Foundation ve Shanghai Belediye Eğitim Komisyonu, Avustralya Araştırma Konseyi’nden “Shuguang Programı”.