自20世纪40年代以来，科学家们一直在探索氧化铌的使用，特别是一种被称为T-Nb2O5的氧化铌，以制造更高效的电池。这种独特的材料以其允许锂离子(使电池工作的微小带电粒子)在其中快速移动的能力而闻名。这些锂离子移动得越快，电池充电的速度就越快。
然而，挑战一直是将这种氧化铌材料生长成薄而平坦的层，或“薄膜”，其质量足够高，可以用于实际应用。这个问题源于T-Nb2O5的复杂结构和许多类似形式或多晶型氧化铌的存在。
在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，宾夕法尼亚大学安德鲁·拉佩的研究小组成员与马克斯·普朗克研究所和剑桥大学的研究人员合作，成功地展示了高质量的T-Nb2O5单晶体层的生长，这种单晶体层的排列方式使锂离子的移动速度大大加快。
Rappe说:“这种戏剧性的转变使一系列潜在的应用成为可能，从高速电池充电到节能计算等等。”
“我们在阴极中储存锂的传统方式通常依赖于一个倾向于干扰结构的再结晶过程，就像我们在今天的电池中看到的那样，”Rappe集团的前博士后研究员、合著者姜震说。
艺术与科学学院的研究生Aaron Schankler补充说:“马克斯普朗克和剑桥大学的团队所做的是找到一种方法，以不破坏T-Nb2O5薄膜晶体结构的方式移动锂离子，我们帮助解释了为什么离子可以快速可逆地进出。”
Rappe将T-Nb2O5比作多层停车场结构，其中锂离子是汽车，T-Nb2O5的结构形成开放的通道或坡道，允许汽车在各层之间上下移动。
马克斯普朗克研究所的第一作者Hyeon Han说:“通过生长T-Nb2O5，使这些通道垂直运行，或'上下'，我们的团队使锂离子的移动速度大大加快，从而通过在我们系统的负极的原子之间插入锂离子，从而允许薄膜的电性能发生快速而巨大的变化。”
Rappe指出，剑桥大学的研究人员与他的团队密切合作，发现随着锂离子浓度的变化，材料结构中出现了多种以前未知的转变。
这些转变改变了材料的电子特性，允许它从绝缘体转变为金属，这意味着它从阻挡电流转变为导电。这是一个戏剧性的转变;这种材料的电阻率降低了1000亿倍。
宾夕法尼亚大学的研究小组通过密度泛函理论计算，将产生跃迁稳定性所需的条件理论化，这是一种用于研究多体系统(尤其是原子、分子和凝聚态)电子结构的量子力学方法。Rappe说，通过这种方法，研究小组可以计算和预测材料在不同条件下的行为。
他说，理论计算有助于合理化他们观察到的多相转变，以及这些相如何与锂离子的浓度及其在晶体结构中的排列有关。这种理解反过来又使研究人员能够有效地控制和操纵T-Nb2O5薄膜的电子特性。
Rappe集团前博士后研究员Arvin Kakekhani说:“原子模拟计算在推进学术界的科学基础方面有很大的好处，而且在工业上也有各种技术。”“这项工作展示了这些计算如何补充实验，阐明了锂扩散在重要固态电池和电子材料的电性能中的作用。”
剑桥大学的克莱尔·p·格雷(Clare P. Grey)说:“控制这些薄膜方向的能力使我们能够探索这种技术上重要的材料的方向依赖传输，这是理解这些材料如何运作的基础。”
通过控制这些相变，研究人员证明他们可以反复可靠地控制这些薄膜的电子特性。此外，通过改变“栅”电极的化学成分，一种控制设备中离子流动的组件，他们能够调整材料变成金属的电压，进一步扩展潜在的应用。
“这项研究证明了跨学科合作的力量和不可抑制的科学好奇心，”马克斯·普朗克研究所的斯图尔特·s·p·帕金说。“我们对T-Nb2O5和类似复杂材料的理解得到了极大的提高，为更可持续、更高效的未来奠定了基础。”
更多信息:Hyeon Han等，具有垂直离子传输通道的单晶T-Nb2O5薄膜中的Li离子电子学，Nature Materials(2023)。DOI: 10.1038/s41563-023-01612-2
宾夕法尼亚大学提供
引用:新的研究揭示了节能电力输送的未来(2023年，7月28日
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