杜克大学的一组研究人员及其合作者发现了原子机制，使一类称为阿吉罗德石的化合物对固态电池电解质和热电能量转换器都具有吸引力。

这些发现以及用于制造它们的机器学习方法可能有助于开创家用电池墙和快速充电电动汽车等应用的储能新时代。

研究结果于18月<>日在线发表在《自然材料》杂志上。

“这是一个以前从未被破解过的难题，因为材料的每个构建块有多大和复杂，”杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delaire说。“我们已经梳理了原子水平的机制，这些机制导致这整类材料成为固态电池创新领域的热门话题。

随着世界走向以可再生能源为基础的未来，研究人员必须开发新技术，为家庭和电动汽车储存和分配能源。虽然到目前为止的标准承载者是含有液体电解质的锂离子电池，但由于其效率相对较低，而且液体电解质偶尔会着火和爆炸，它远非理想的解决方案。

这些限制主要源于锂离子电池内部的化学反应性液体电解质，它允许锂离子在电极之间相对不受阻碍地移动。虽然非常适合移动电荷，但液体成分使它们对高温敏感，可能导致降解并最终导致失控的热灾难。

许多公共和私人研究实验室花费大量时间和金钱来开发各种材料的替代固态电池。如果设计得当，这种方法将提供更安全、更稳定的设备，至少在理论上具有更高的能量密度。

虽然还没有人发现一种商业上可行的固态电池方法，但其中一个主要的竞争者依赖于一类叫做银的化合物，以含银矿物命名。这些化合物由特定的、稳定的晶体框架构成，该框架由两种元素组成，第三种元素可以在化学结构中自由移动。虽然银、锗和硫等一些配方是天然存在的，但总体框架足够灵活，研究人员可以创建各种各样的组合。

“每个电动汽车制造商都在努力转向新的固态电池设计，但他们都没有透露他们押注的成分，”德莱尔说。“赢得这场比赛将改变游戏规则，因为汽车可以同时充电更快，使用寿命更长，更安全。

在這篇新論文中，Delaire和他的同事研究了一種由銀，錫和硒(Ag)製成的有前途的候選物。8硒6).利用中子和X射线的组合，研究人员将这些极快移动的粒子从Ag样品中的原子上反弹。8硒6实时揭示其分子行为。团队成员Mayanak Gupta是Delaire实验室的前博士后，现在是印度Bhabha原子研究中心的研究员，他还开发了一种机器学习方法来理解数据，并创建了一个计算模型来匹配使用第一性原理量子力学模拟的观察结果。

结果表明，虽然锡和硒原子创造了相对稳定的支架，但它远非静态的。晶体结构不断弯曲，为带电的银离子在材料中自由移动创造窗口和通道。Delaire说，该系统就像锡和硒晶格保持固体，而银几乎处于液体状态。

“这有点像银原子是弹珠，在一口非常浅的井的底部嘎嘎作响，就像晶体支架不是固体一样移动，”德莱尔说。“生活在液态和固态之间的物质的双重性是我发现最令人惊讶的。

这些结果，也许更重要的是，将先进的实验光谱学与机器学习相结合的方法，应该有助于研究人员在许多关键应用中更快地取代锂离子电池。根据Delaire的说法，这项研究只是一系列旨在研究各种有前途的银矿化合物的项目之一，包括不同的配方。鉴于锂电池的潜力，该集团对用锂代替银的一种组合特别感兴趣。

“这些材料中的许多为电池提供了非常快的传导，同时是热电转换器的良好隔热体，因此我们正在系统地研究整个化合物家族，”Delaire说。“这项研究旨在对我们的机器学习方法进行基准测试，该方法使我们在短短几年内模拟这些材料的能力取得了巨大进步。我相信这将使我们能够快速模拟新的化合物，以找到这些化合物必须提供的最佳配方。