Ученые из Университета Дьюка изучили механизм быстрой ионной подвижности в суперионном соединении Li₆PS₅Cl. Движение ионов в этом материале связано с его жидкоподобной динамикой, что открывает новые возможности для создания более эффективных твердотельных аккумуляторов. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Суперионные материалы обладают уникальными свойствами: в них некоторые ионы ведут себя, как в жидкости, хотя основная атомная структура остается твёрдой. Эти материалы привлекают внимание исследователей благодаря высокой ионной проводимости, что делает их перспективными кандидатами на роль электролитов в твердотельных аккумуляторах.
В отличие от традиционных аккумуляторов, в которых используются жидкие электролиты, твердотельные аккумуляторы с суперионными электролитами обещают улучшенную безопасность, долговечность и более высокую энергоемкость. Однако физические процессы, определяющие сверхбыструю ионную проводимость в таких материалах, остаются недостаточно изученными.
Команда ученых сосредоточилась на изучении литиевого аргиродита Li₆PS₅Cl — одного из перспективных твердотельных электролитов. Они хотели выяснить, движутся ли ионы лития в этом материале по принципу классических колебаний атомов или их поведение больше напоминает жидкость.
Для этого исследователи использовали комбинацию нейтронного рассеяния и компьютерного моделирования с применением методов машинного обучения. Нейтронное рассеяние позволяет детально изучать атомные колебания и анализировать динамику ионов в диапазоне частот от гигагерц до терагерц. Компьютерное моделирование, основанное на первых принципах и дополненное машинным обучением, помогло уточнить, как ионы лития взаимодействуют с кристаллической решеткой. Расчеты проводились на высокопроизводительных вычислительных системах.
Ученые обнаружили, что с увеличением температуры спектры литиевых ионов в Li₆PS₅Cl переходят от кристаллического к жидкоподобному состоянию. Это подтверждает, что высокая подвижность ионов обусловлена не только колебаниями решетки, но и эффектами, напоминающими поведение жидкости.
«Суперионные материалы обладают сложной динамикой, и их проектирование остается тяжелой задачей», — отметил Оливье Делэр, ведущий автор исследования.
Результаты работы помогут в дальнейшем проектировании твердотельных электролитов, способных обеспечить высокую ионную проводимость и стабильность. Это важно не только для аккумуляторов, но и для других устройств, таких как топливные элементы и процессоры.
