科学家开发解析电池材料原子层面结构的新方法

据外媒报道,能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)、石溪大学(SBU)、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(University of California,Berkeley)以及欧洲的研究人员联手开发出一种新方法,可以利用研磨粉末样品数据,解析材料的原子层面结构。

这种方法展示了解析材料结构的能力,而这些材料具有使离子在钠离子电池中穿梭的可能性。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,即使只有粉末样品可用,也可以提供理解重要功能材料所需的优质结构数据。”

在某种程度上,这项技术是一种逆向工程,不直接使用粉末样品测量数据来解析结构(对于许多材料来说,这都很复杂),而是使用计算机算法来构建和评估材料的所有合理结构。即使结构非常复杂造成传统结构解决方案不起作用,通过这种方式分析与物质相关的“基因组”也有可能找到正确的结构。

欧洲研究人员Matteo Bianchini和Francois Fauth利用西班牙巴塞罗那的ALBA同步加速器,进行X射线粉末衍射实验。科学家利用该设施中明亮的X射线,研究一种名为NVPF的钠离子电池正极材料在各种温度下(从室温到大气气体液化等极低温度下)的原子排列。这项工作很有必要,因为当NVPF材料在低温下冷却时,室温时存在的无序结构就会消失。尽管电池是在接近室温的温度下工作,但解析材料的低温结构仍然至关重要,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穿过结构的方式,从而影响NVPF作为电池材料的性能。

Khalifah表示:“在低温和室温下,钠原子周围的键合环境(即每个原子有多少邻居)基本类似。”然而,想要在室温下捕捉细节,就像让小孩子安静地坐着拍照一样难。“所有的东西都变得很模糊,因为离子移动得太快了。”因此,利用室温数据推断出来的键合环境有时是不准确的。相比之下,在低温环境下,钠离子难以移动,反而可以提供钠离子所处的局部环境的真实图像。Khalifah指出:“随着材料的冷却,24个相邻钠离子被迫从两个可能的位置中选择一个,这时就可以得到能量最低时的‘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。对于具有如此复杂顺序的材料,通常不可能利用粉末衍射数据来解析其三维原子结构。Khalifah说:“粉末衍射数据被压缩至一维,很多信息都丢失了。”然而,材料是由许多不同类型元素组成的,比如NVPF由钠、钒、磷、氟和氧原子构成,其化学式为Na3V2(PO4)2F3。根据更传统的三维X射线结晶学,很难长成更大的晶体。

因此,研究人员合作开发了一种新的“基因组”方法,仅利用粉末衍射数据即可解析非常复杂的结构。Khalifah说:“我们没有使用粉末衍射数据直接解析结构,而是采用了另一种方法。我们先提出钠离子在结构中的合理排列是什么,然后以自动化的方式对每一种排列进行测试,并将其与实验数据进行比较,以找出这种结构。”

在仅用粉末衍射数据求解的材料中,NVPF结构是迄今为止最复杂的结构之一。Khalifah说:“如果没有现代的计算工具,我们就不可能完成这项科学工作,比如用来生成合理化学结构的枚举方法,以及复杂的自动化脚本,这些脚本利用Pymatgen(PYTHON材料基因组学)软件包来完善这些结构。”