先頭に立つ: 新しい研究がエネルギーへの道を切り開く

科学技術

1940 年代以来、科学者はより効率的な電池を作成するために、酸化ニオブ、特に T-Nb2O5 として知られる酸化ニオブの使用を研究してきました。 このユニークな素材は、バッテリーを機能させる小さな荷電粒子であるリチウムイオンがその中で素早く移動できることで知られています。 これらのリチウムイオンが速く移動できるほど、バッテリーをより速く充電できます。

しかし、常に課題は、この酸化ニオブ材料を、実際の用途に使用できる十分な高品質の薄く平らな層、つまり「フィルム」に成長させることでした。 この問題は、T-Nb2O5 の複雑な構造と、酸化ニオブの多くの同様の形態または多形の存在に起因します。

Nature Materials に掲載された論文では、ペンシルベニア大学のアンドリュー・ラッペ氏の研究グループのメンバーがマックス・プランク研究所およびケンブリッジ大学の研究者と協力し、高品質の T-Nb2O5 単結晶層の成長を実証することに成功しました。リチウムイオンが大幅に速く移動できるように配置されています。

「この劇的な変化により、高速バッテリ充電からエネルギー効率の高いコンピューティングなどに至るまで、さまざまな潜在的なアプリケーションが可能になります」と Rappe 氏は言います。

「正極におけるリチウム貯蔵の従来の方法は、通常、今日の電池で見られるような、構造に干渉する傾向のある再結晶化プロセスに依存しています」と共著者であり、Rappe Group の元ポスドク研究員である Zhen Jiang 氏は述べています。

芸術科学部の大学院生であるアーロン・シャンクラー氏は、「マックス・プランクとケンブリッジ大学のチームがやったことは、結晶構造を乱さない方法でリチウムイオンを移動させる方法を見つけたことだ」と付け加えた。私たちは、T-Nb2O5 薄膜を使用して、なぜイオンが迅速かつ可逆的に出入りできるのかを合理的に説明するのに役立ちました。」

ラッペ氏は、T-Nb2O5 を立体駐車場構造に例えています。この構造では、リチウムイオンが車であり、T-Nb2O5 の構造が開いたチャネル、つまりランプを形成し、車がレベル間を上下に移動できるようにしています。

「これらのチャネルが垂直、つまり「上下」に走るように T-Nb2O5 を成長させることで、私たちのチームはリチウムイオンが大幅に速く移動できるようになり、それによって、リチウムイオンを挿入することによって薄膜の電気特性を迅速かつ大幅に変化させることが可能になりました。我々の系のマイナス端子にある原子間のリチウムイオンです」と筆頭著者のマックス・プランク研究所のヒョン・ハン氏は言う。

Rappe氏は、ケンブリッジ大学の研究者らが彼のチームと緊密に協力し、リチウムイオン濃度の変化に伴う材料構造のこれまで知られていなかった複数の遷移を発見したと指摘している。

これらの遷移により材料の電子特性が変化し、材料が絶縁体から金属に切り替わります。つまり、電流を遮断する状態から伝導する状態になります。 これは劇的な変化です。 材料の抵抗率は 1,000 億分の 1 に減少します。

ペンシルベニア州のチームは、密度汎関数理論計算を介して遷移の安定性を生み出すために必要な条件を理論化する計算作業を開発しました。密度汎関数理論は、多体系、特に原子、分子、電子構造の研究に使用される量子力学的手法です。凝縮相。 Rappe 氏は、この方法を使用すると、チームはさまざまな条件下での材料の挙動を計算し、予測できると述べています。

同氏は、理論計算は、観察された複数の相転移の合理化、およびこれらの相がリチウムイオンの濃度や結晶構造内での配置とどのように関係しているのかを解明するのに役立った、と述べた。 この理解により、研究者らは T-Nb2O5 薄膜の電子特性を効果的に制御および操作できるようになりました。

「原子シミュレーション計算は、学術分野における科学の基礎だけでなく、産業界におけるさまざまな技術の進歩にも大きなメリットをもたらします」と、Rappe Group の元博士研究員である Arvin Kakekhani 氏は述べています。 「この研究は、これらの計算がどのように実験を補完できるかを示し、重要な固体電池や電子材料の電気特性におけるリチウム拡散の役割を解明します。」