Ученые достигли суперионной проводимости при комнатной температуре

14.04.2023

Китайские ученые продемонстрировали новый метод создания полностью твердотельного электролита, обладающего суперионной проводимостью. Создание дефектов в кристаллической решетке помогает сделать гидрид-ионный проводник, работающий при комнатной температуре. Новое исследование поможет в разработке эффективных и экологичных материалов энергетики. Работа опубликована в Nature.

Многие химические соединения существуют в виде заряженных «осколков» — ионов. Например, если растворить в воде соль NaCl, то в растворе будут находиться катионы Na+ и анионы Cl-. Этот раствор способен проводить электрический ток благодаря подвижности положительно и отрицательно заряженных ионов — это называется ионной проводимостью. На основе ионной проводимости работают традиционные гальванические элементы, которые широко применяются в современных аккумуляторах. В их основе лежит окислительно-восстановительная реакция (обмен электронами) в среде жидкого электролита, обеспечивающего ионную проводимость. К примеру, широко распространенным аккумулятором является свинцово-кислотный, который работает по принципу окисления свинца на аноде и восстановления диоксида свинца на катоде в водном растворе электролита — серной кислоты. Намного эффективнее жидких электролитов оказались полностью твердотельные электролиты, такие как ионные кристаллы. В твердых электролитах, или ионных проводниках, носителями заряда все еще являются различные ионы. Но ионы в таком материале должны обладать достаточной подвижностью, чтобы свободно перемещаться по кристаллу. Поэтому обычно в качестве носителя заряда используются ионы достаточно маленького размера, такие как катионы лития, натрия и водорода.

При определенных условиях некоторые материалы обретают суперионную проводимость, то есть ионы в твердом теле движутся так же быстро, как и в жидком электролите. Суперионные проводники могут быть намного эффективнее и экологичнее, чем традиционные жидкие электролиты. Во время их использования не образуется токсичного раствора, и они намного проще в эксплуатации. Однако немногие твердотельные материалы могут достичь этого состояния в условиях окружающей среды, не прибегая, например, к очень высокой температуре или высокому давлению.

Проводники, где в роли носителя заряда выступают гидрид-ионы (H-) обладают высокой восстановительной способностью и являются многообещающими кандидатами для этой технологии. В последнее время ученые уже разработали разнообразные гидриды щелочноземельных и редкоземельных металлов с подвижным водородом, но ни один из них не смог обеспечить суперионную проводимость при комнатной температуре. Чтобы решить этот вопрос, группа китайских ученых применила новый подход.

Исследователи изучили различные варианты кристаллизации тригидридов лантана (LaHx). Они создали множество дискретных наноразмерых зерен — мелких кристаллов неправильной формы, а также намеренно спровоцировали дефекты в кристаллической решетке. Это нарушило пути переноса электрона и снизило электронную проводимость.

Ученые обнаружили, что гидрид-ионы легко перемещаются по кристаллической решетке, преодолевая межзеренные границы, тогда как электроны столкнулись со значительными препятствиями в виде дефектов решетки. Это действительно снизило электронную проводимость на три-пять порядков. «Такое снижение электронной проводимости может превратить LaHx в чистый гидрид-ионный проводник с рекордно высокой проводимостью в диапазоне температур от -40 до +80 °С», — рассказал Пин Чэнь из Даляньского института химической физики. Обладая быстрой H--проводимостью и высоким числом ионов, деформированный кристалл LaHx позволил бы гидрид-ионному аккумулятору работать при комнатной температуре.

«Эта работа демонстрирует эффективность деформации решетки для регулирования электронной проводимости в гидридах редкоземельных металлов», — отметил Пин Чэнь. Исследователи планируют распространить свой метод и на другие гидридные материалы, чтобы создать новую твердотельную гидрид-ионную батарею. Это поможет создать экологичные топливные элементы для хранения и преобразования чистой энергии.