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科學(xué)家開發(fā)解析電池材料原子層面結(jié)構(gòu)的新方法

時(shí)間:2020-11-23 11:52來(lái)源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來(lái)源：bnl）
 
       據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)、石溪大學(xué)(SBU)、美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LNBL)材料項(xiàng)目、加州大學(xué)伯克利分校(University of California，Berkeley)以及歐洲的研究人員聯(lián)手開發(fā)出一種新方法，可以利用研磨粉末樣品數(shù)據(jù)，解析材料的原子層面結(jié)構(gòu)。
 
       這種方法展示了解析材料結(jié)構(gòu)的能力，而這些材料具有使離子在鈉離子電池中穿梭的可能性。研究人員Peter Khalifah表示：“我們的方法結(jié)合了實(shí)驗(yàn)、理論和現(xiàn)代計(jì)算工具，即使只有粉末樣品可用，也可以提供理解重要功能材料所需的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。”
 
       在某種程度上，這項(xiàng)技術(shù)是一種逆向工程，不直接使用粉末樣品測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)解析結(jié)構(gòu)（對(duì)于許多材料來(lái)說(shuō)，這都很復(fù)雜），而是使用計(jì)算機(jī)算法來(lái)構(gòu)建和評(píng)估材料的所有合理結(jié)構(gòu)。即使結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜造成傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決方案不起作用，通過(guò)這種方式分析與物質(zhì)相關(guān)的“基因組”也有可能找到正確的結(jié)構(gòu)。
 
       捕捉電池正極低溫結(jié)構(gòu)圖像
 
       歐洲研究人員Matteo Bianchini和Francois Fauth利用西班牙巴塞羅那的ALBA同步加速器，進(jìn)行X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家利用該設(shè)施中明亮的X射線，研究一種名為NVPF的鈉離子電池正極材料在各種溫度下（從室溫到大氣氣體液化等極低溫度下）的原子排列。這項(xiàng)工作很有必要，因?yàn)楫?dāng)NVPF材料在低溫下冷卻時(shí)，室溫時(shí)存在的無(wú)序結(jié)構(gòu)就會(huì)消失。盡管電池是在接近室溫的溫度下工作，但解析材料的低溫結(jié)構(gòu)仍然至關(guān)重要，因?yàn)橹挥羞@種低溫?zé)o障礙結(jié)構(gòu)，才能讓科學(xué)家清楚地了解室溫下存在的真正化學(xué)鍵。這種化學(xué)鍵環(huán)境強(qiáng)烈影響離子在室溫下穿過(guò)結(jié)構(gòu)的方式，從而影響NVPF作為電池材料的性能。
 
       Khalifah表示：“在低溫和室溫下，鈉原子周圍的鍵合環(huán)境（即每個(gè)原子有多少鄰居）基本類似。”然而，想要在室溫下捕捉細(xì)節(jié)，就像讓小孩子安靜地坐著拍照一樣難。“所有的東西都變得很模糊，因?yàn)殡x子移動(dòng)得太快了。”因此，利用室溫?cái)?shù)據(jù)推斷出來(lái)的鍵合環(huán)境有時(shí)是不準(zhǔn)確的。相比之下，在低溫環(huán)境下，鈉離子難以移動(dòng)，反而可以提供鈉離子所處的局部環(huán)境的真實(shí)圖像。Khalifah指出：“隨著材料的冷卻，24個(gè)相鄰鈉離子被迫從兩個(gè)可能的位置中選擇一個(gè)，這時(shí)就可以得到能量最低時(shí)的‘有序’模式。”
 
       Bianchini對(duì)粉末X射線衍射數(shù)據(jù)的初步分析表明，有序模式非常復(fù)雜。對(duì)于具有如此復(fù)雜順序的材料，通常不可能利用粉末衍射數(shù)據(jù)來(lái)解析其三維原子結(jié)構(gòu)。Khalifah說(shuō)：“粉末衍射數(shù)據(jù)被壓縮至一維，很多信息都丟失了。”然而，材料是由許多不同類型元素組成的，比如NVPF由鈉、釩、磷、氟和氧原子構(gòu)成，其化學(xué)式為Na3V2(PO4)2F3。根據(jù)更傳統(tǒng)的三維X射線結(jié)晶學(xué)，很難長(zhǎng)成更大的晶體。
 
       因此，研究人員合作開發(fā)了一種新的“基因組”方法，僅利用粉末衍射數(shù)據(jù)即可解析非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Khalifah說(shuō)：“我們沒有使用粉末衍射數(shù)據(jù)直接解析結(jié)構(gòu)，而是采用了另一種方法。我們先提出鈉離子在結(jié)構(gòu)中的合理排列是什么，然后以自動(dòng)化的方式對(duì)每一種排列進(jìn)行測(cè)試，并將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以找出這種結(jié)構(gòu)。”
 
       在僅用粉末衍射數(shù)據(jù)求解的材料中，NVPF結(jié)構(gòu)是迄今為止最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。Khalifah說(shuō)：“如果沒有現(xiàn)代的計(jì)算工具，我們就不可能完成這項(xiàng)科學(xué)工作，比如用來(lái)生成合理化學(xué)結(jié)構(gòu)的枚舉方法，以及復(fù)雜的自動(dòng)化腳本，這些腳本利用Pymatgen(PYTHON材料基因組學(xué))軟件包來(lái)完善這些結(jié)構(gòu)。”
 
       把目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)
 
       根據(jù)現(xiàn)有NVPF結(jié)構(gòu)知識(shí)和一系列基礎(chǔ)化學(xué)鍵合規(guī)則，NVPF中鈉原子的合理排序模式超過(guò)50萬(wàn)。即使使用計(jì)算算法來(lái)篩選通過(guò)不同排序選擇生成的等效結(jié)構(gòu)后，仍有近3000種獨(dú)特的排序可能性。Khalifah說(shuō)：“這超出了合理的手工測(cè)試范圍。但是，如果讓一臺(tái)計(jì)算機(jī)不間斷地工作，大約需要兩天來(lái)評(píng)估其正確性。”
 
       通過(guò)軟件評(píng)估每個(gè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的正確性，以預(yù)測(cè)其粉末X射線衍射圖的外觀。然后將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這些測(cè)量由石溪大學(xué)博士生Gerard Mattei完成。如果預(yù)測(cè)和測(cè)量結(jié)果的差異相對(duì)較小，那么該軟件可以通過(guò)調(diào)整其組成原子的位置，來(lái)優(yōu)化任何試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，以提高計(jì)算圖樣和測(cè)量圖樣的一致性。
 
       然而，即使經(jīng)過(guò)這樣的調(diào)整，仍有近2500個(gè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以很好地匹配實(shí)驗(yàn)衍射數(shù)據(jù)。Khalifah表示：“我們沒想到會(huì)有這么多合適的選擇。因此，我們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)是，通過(guò)觀察哪一種結(jié)構(gòu)具有正確的對(duì)稱性，來(lái)確定眾多可能結(jié)構(gòu)中的哪一個(gè)是合理的。”
 
       Khalifah指出，晶體對(duì)稱性提供了約束原子在材料中排列的規(guī)則，因此充分理解結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，是正確描述結(jié)構(gòu)的必要條件。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)特定對(duì)稱約束條件生成每種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)。盡管確定優(yōu)化后的任一試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的真實(shí)對(duì)稱性非常具有挑戰(zhàn)性，但是通過(guò)比較總共2500個(gè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，研究人員可以確定需要使用哪些對(duì)稱元素來(lái)正確描述NVPF材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)。
 
       通過(guò)比較多次試驗(yàn)結(jié)果，研究人員對(duì)最終解決方案更有信心，這也是這項(xiàng)工作相對(duì)于傳統(tǒng)方法的另一優(yōu)勢(shì)。此外，LBNL研究人員John Dagdelen和Alex Ganose的理論計(jì)算表明，最終解決方案具有穩(wěn)定性，從而證實(shí)這一結(jié)果的有效性。解析結(jié)構(gòu)表明，鈉原子鍵的多樣性要遠(yuǎn)超過(guò)之前的認(rèn)識(shí)。
 
       Khalifah說(shuō)：“從室溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)看，所有的鈉原子似乎都與六個(gè)或七個(gè)相鄰的原子成鍵，這具有誤導(dǎo)性。相比之下，低溫?cái)?shù)據(jù)清晰表明，有一些鈉原子只有四個(gè)鄰居。其結(jié)果之一是，鄰居少的鈉原子被鎖定的程度要小得多，預(yù)計(jì)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中更容易移動(dòng)，這一特性對(duì)于電池功能至關(guān)重要。”
 
       研究人員認(rèn)為，這種新方法將廣泛適用于解析在充電過(guò)程中電池材料的離子被去除時(shí)的常見復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其是鈉離子和鉀離子電池中使用的材料。這兩種電池被視為鋰離子電池材料的替代品，不僅成本更低，而且元素儲(chǔ)量更豐富。因此，這項(xiàng)研究將發(fā)揮重要作用，幫助挖掘地球上儲(chǔ)量豐富的材料，并將其用于擴(kuò)大儲(chǔ)能能力，以滿足社會(huì)需求，如電網(wǎng)儲(chǔ)能。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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