科学家开发解析电池材料原子层面结构的新方法

盖尔语汽车新闻据外媒报道，来自布鲁克黑文国家实验室、石溪大学、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（LNBL）材料项目、加州大学伯克利分校和欧洲的研究人员联合开发了一种新方法，该方法可以使用粉末样品数据，分析材料的原子级结构。

这种方法证明了分析材料结构的能力，这些材料有可能在钠离子电池中穿梭离子。研究人员Peter Khalifah表示，“我们的方法结合了实验、理论和现代计算工具，提供了理解重要功能材料所需的高质量结构数据，即使只有粉末样品可用。”在某种程度上，这项技术是一种逆向工程方法，不直接使用粉末样品测量数据来分析结构，而是使用计算机算法来构建和评估材料的所有合理结构。即使结构非常复杂，传统的结构解决方案无效，以这种方式分析与物质相关的“基因组”仍然可能找到正确的结构。拍摄电池阴极低温结构图像的欧洲研究人员Matteo Bianchini和Francois Fauth使用西班牙巴塞罗那的ALBA同步加速器进行了X射线粉末衍射实验。科学家们利用该设施中明亮的X射线研究了一种名为NVPF的钠离子电池正极材料在不同温度下的原子排列。这项工作是必要的，因为当NVPF材料在低温下冷却时，室温下存在的无序结构将消失。尽管电池在接近室温的温度下工作，但分析材料的低温结构仍然很重要，因为只有这种低温无障碍结构才能让科学家清楚地了解室温下存在的真正化学键。这种化学键环境强烈影响离子在室温下通过结构的方式，从而影响NVPF作为电池材料的性能。Khalifah说，“在低温和室温下，钠原子周围的键合环境基本相似。”然而，在室温下捕捉细节就像让孩子安静地坐着拍照一样困难。由于离子移动过快，一切都变得非常模糊。因此，从室温数据推断出的结合环境有时是不准确的。相比之下，钠离子很难在低温下移动，这反而可以提供钠离子所在的局部环境的真实图像。Khalifah指出，“随着材料冷却，24个相邻的钠离子被迫从两个可能的位置中选择一个，从而在最低能量下产生‘有序’模式。”Bianchini对粉末X射线衍射数据的初步分析表明，有序模式非常复杂。对于具有如此复杂序列的材料，通常不可能使用粉末衍射数据来分析其三维原子结构。Khalifah说，“粉末衍射数据被压缩到一维，大量信息丢失。”然而，这种材料由许多不同类型的元素组成，例如NVPF，它由钠、钒、磷、氟和氧原子组成，化学式为Na3V2（PO4）2F3。根据更传统的三维X射线晶体学，很难生长出更大的晶体。因此，研究人员合作开发了一种新的“基因组”方法，该方法可以仅使用粉末衍射数据分析非常复杂的结构。Khalifah说：“我们没有使用粉末衍射数据直接分析结构，而是使用了另一种方法。我们首先提出了钠离子在结构中的合理排列，然后以自动化的方式测试了每种排列，并将其与实验数据进行了比较，以确定这种结构。”，NVPF结构是迄今为止最复杂的结构之一。Khalifah说：“如果没有现代计算工具，我们将无法完成这项科学工作，例如用于生成合理化学结构的枚举方法，以及使用Pymatgen（PYTHON Material Genomics）软件包来改进这些结构的复杂自动化脚本。”基于现有的NVPF结构知识和一系列基本化学键规则，钠原子在NVPF中的合理排序模式超过500000。即使在使用计算算法过滤等效结构之后……

es通过不同的排序选择生成，仍然有近3000种独特的排序可能性。Khalifah说：“这超出了手动测试的合理范围。然而，如果允许计算机不间断地工作，大约需要两天时间来评估其正确性。”软件用于评估每个实验结构的正确性，以预测其粉末X射线衍射图的出现。然后将计算结果与实验衍射数据进行比较，实验衍射数据由石溪大学博士生Gerard Mattei完成。如果预测结果和测量结果之间的差异相对较小，则该软件可以通过调整其组成原子的位置来优化任何实验结构，以提高计算模式和测量模式之间的一致性。然而，即使经过这样的调整，仍有近2500个优化结构可以很好地匹配实验衍射数据。哈利法说：“我们没想到会有这么多合适的选择。因此，我们的第二个挑战是通过观察哪种结构具有正确的对称性来确定多种可能的结构中哪种是合理的。”哈利法指出，晶体对称性提供了限制材料中原子排列的规则，因此，充分理解结构的对称性是正确描述结构的必要条件。该团队根据特定的对称约束条件生成每个实验结构。尽管确定任何优化实验结构的真实对称性都非常具有挑战性，但通过比较总共2500个优化结构，研究人员可以确定需要使用哪些对称元素来准确描述NVPF材料的真实结构。通过比较多个实验的结果，研究人员对最终解决方案更有信心，这是这项工作与传统方法相比的另一个优势。此外，LBNL研究人员John Dagdelen和Alex Ganose的理论计算表明，最终溶液是稳定的，从而证实了这一结果的有效性。分析结构表明，钠原子键的多样性远远超过了以前的理解。哈利法说， “从室温数据来看，似乎所有的钠原子都与六个或七个相邻的原子结合，这是有误导性的。相比之下，低温数据清楚地表明，一些钠原子只有四个邻居。一个结果是，邻居较少的钠原子锁定得更少，预计在整个结构中更容易移动，这对电池的乐趣至关重要摩擦性，“研究人员认为，这种新方法将广泛应用于分析充电过程中去除离子时电池材料的常见复杂结构，特别是钠离子和钾离子电池中使用的材料。这两种电池被认为是锂离子电池材料的替代品，不仅成本较低，而且具有更丰富的能量精神储备。因此，这项研究将在帮助挖掘地球上丰富的物质并利用它们扩大储能能力以满足社会需求方面发挥重要作用，例如电网储能。

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