Эти открытия - и подход к машинному обучению, использованный для их создания, - могут помочь вступить в новую эру накопления энергии для таких приложений, как бытовые аккумуляторные батареи и электромобили с быстрой зарядкой.

Результаты появились онлайн 18 мая в журнале Природные материалы.

"Это головоломка, которая раньше не была разгадана из-за того, насколько велик и сложен каждый строительный блок материала", - сказал Оливье Делер, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в университете Дьюка. "Мы выявили механизмы на атомарном уровне, которые делают весь этот класс материалов актуальной темой в области инноваций в области твердотельных аккумуляторов".

Поскольку мир движется к будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии, исследователи должны разрабатывать новые технологии для хранения и распределения энергии в домах и электромобилях. Хотя до сих пор эталоном была литий-ионная батарея, содержащая жидкие электролиты, это далеко не идеальное решение, учитывая ее относительно низкую эффективность и склонность жидкого электролита время от времени воспламеняться и взрываться.

Эти ограничения обусловлены главным образом химически активными жидкими электролитами внутри литий-ионных аккумуляторов, которые позволяют ионам лития относительно беспрепятственно перемещаться между электродами. Несмотря на то, что жидкий компонент отлично подходит для перемещения электрических зарядов, он делает их чувствительными к высоким температурам, которые могут привести к разрушению и, в конечном счете, к безудержной тепловой катастрофе.

Многие государственные и частные исследовательские лаборатории тратят много времени и денег на разработку альтернативных твердотельных аккумуляторов из различных материалов. При правильном проектировании такой подход обеспечивает гораздо более безопасное и стабильное устройство с более высокой плотностью энергии - по крайней мере, теоретически.

Хотя никто еще не нашел коммерчески жизнеспособного подхода к твердотельным батареям, один из ведущих претендентов использует класс соединений, называемых аргиродитами, названных в честь минерала, содержащего серебро. Эти соединения построены из специфических, стабильных кристаллических каркасов, состоящих из двух элементов, при этом третий может свободно перемещаться по химической структуре. Хотя некоторые ингредиенты, такие как серебро, германий и сера, встречаются в природе, общая структура достаточно гибкая, чтобы исследователи могли создавать широкий спектр комбинаций.

"Каждый производитель электромобилей пытается перейти на новые конструкции твердотельных аккумуляторов, но ни один из них не раскрывает, на какие составы они делают ставку", - сказал Делер. "Победа в этой гонке изменила бы правила игры, потому что автомобили могли бы заряжаться быстрее, служить дольше и быть безопаснее одновременно".

В новой статье Делер и его коллеги рассматривают одного многообещающего кандидата, изготовленного из серебра, олова и селена (Ag₈SnSe₆). Используя комбинацию нейтронов и рентгеновских лучей, исследователи отразили эти чрезвычайно быстро движущиеся частицы от атомов в образцах Ag₈SnSe₆ чтобы выявить его молекулярное поведение в режиме реального времени. Член команды Майанак Гупта, бывший постдок в лаборатории Делера, который сейчас является исследователем в Центре атомных исследований Бхабха в Индии, также разработал подход машинного обучения для осмысления данных и создал вычислительную модель для сопоставления наблюдений с использованием квантово-механического моделирования на основе первых принципов.

Результаты показали, что, хотя атомы олова и селена создавали относительно устойчивый каркас, он был далек от статичности. Кристаллическая структура постоянно изгибается, создавая окна и каналы для свободного перемещения заряженных ионов серебра через материал. Система, по словам Делера, похожа на то, как решетки олова и селена остаются твердыми, в то время как серебро находится в почти жидком состоянии.

"Это похоже на то, как если бы атомы серебра были шариками, дребезжащими по дну очень неглубокого колодца, перемещающимися так, словно кристаллический каркас не является твердым", - сказал Делер. "Эта двойственность материала, находящегося как в жидком, так и в твердом состоянии, - вот что меня больше всего удивило".

Полученные результаты и, что, возможно, более важно, подход, сочетающий передовую экспериментальную спектроскопию с машинным обучением, должны помочь исследователям быстрее продвигаться к замене литий-ионных аккумуляторов во многих важнейших областях применения. По словам Делера, это исследование является лишь одним из серии проектов, направленных на изучение множества перспективных соединений аргиродита, содержащих различные рецептуры. Одна комбинация, которая заменяет серебро литием, представляет особый интерес для группы, учитывая ее потенциал для электромобилей.

"Многие из этих материалов обеспечивают очень быструю проводимость для батарей и в то же время являются хорошими теплоизоляторами для термоэлектрических преобразователей, поэтому мы систематически рассматриваем все семейство соединений", - сказал Делер. "Это исследование служит для сравнения нашего подхода к машинному обучению, который позволил добиться огромных успехов в нашей способности моделировать эти материалы всего за пару лет. Я верю, что это позволит нам быстро виртуально моделировать новые соединения, чтобы найти лучшие рецепты, которые эти соединения могут предложить".

Эта работа была поддержана Гуандунским фондом фундаментальных и прикладных исследований (2021B1515140014), Национальным фондом естественных наук Китая (52101236, U1732154, T2125008, 52272006), Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук (E15154U110), открытым проектом Ключевой лаборатории искусственных структур и квантовой физики. Control (2021-05), Национальный научный фонд США (DMR-2119273), "Программа Шугуан" Шанхайского фонда развития образования и Шанхайской муниципальной комиссии по образованию, Австралийский исследовательский совет (DP210101436).