離子傳導(dǎo)是指離子在物質(zhì)內(nèi)部從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。離子通過(guò)點(diǎn)狀缺陷，點(diǎn)狀缺陷是原子排列不均勻的一種現(xiàn)象，原子排列一致的情況稱為晶格。這種緩慢的過(guò)程有時(shí)會(huì)限制燃料電池、電池和其他能源存儲(chǔ)技術(shù)的性能和效率。在確定固體材料哪些基本性能對(duì)改善這些應(yīng)用至關(guān)重要之前，研究人員必須更好地理解控制離子傳導(dǎo)的因素。為了追求這一知識(shí)，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)計(jì)算框架來(lái)處理和分析離子傳導(dǎo)固體的大型數(shù)據(jù)集。

研究人員使用了一個(gè)包含80多種不同組成的鈣鈦礦材料的數(shù)據(jù)集，主要集中于識(shí)別和優(yōu)化那些具有良好質(zhì)子傳導(dǎo)能力的材料。這些新材料能夠生產(chǎn)出更可靠、更高效的質(zhì)子傳導(dǎo)固體氧化物燃料電池：一種能將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能用于實(shí)際用途(如為汽車提供動(dòng)力)的儲(chǔ)能設(shè)備，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理化學(xué)與材料化學(xué)》期刊上。

ORNL納米材料科學(xué)中心(CNMS)首席研究員PanchapakesanGanesh說(shuō)：我們正在尋找更好的離子導(dǎo)電材料，因?yàn)樵谌魏斡糜谌剂想姵鼗螂姵氐墓腆w電解質(zhì)中，離子移動(dòng)得越快，設(shè)備的運(yùn)行效率就越高。

現(xiàn)在有了一個(gè)理解，這將幫助我們?yōu)殚_發(fā)這種材料提出新的設(shè)計(jì)原則。研究小組研究材料包括一種已知速度最快的質(zhì)子導(dǎo)體，一種由釔(Y)取代鋯(Zr)形成的復(fù)合鋯鋇(BaZrO3)改進(jìn)型。釔是一種降低化合物總電荷以促進(jìn)質(zhì)子添加的元素。表現(xiàn)出這種行為的元素被稱為受體摻雜劑，所討論的材料通常被稱為摻鐿的BaZrO3，或Y-BZO。如果沒有泰坦(Titan)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，系統(tǒng)地在短時(shí)間內(nèi)從鈣鈦礦數(shù)據(jù)集中篩選這么多候選是不可能的。泰坦是位于橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施(OLCF)的CrayXK7超級(jí)計(jì)算機(jī)。

離子傳導(dǎo)燃料電池材料晶格畸變特別重要！

通過(guò)使用多個(gè)代碼和一個(gè)名為wraprun的計(jì)算工具，OLCF工作人員幫助團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)針對(duì)Titan架構(gòu)優(yōu)化的自動(dòng)化工作流。Ganesh說(shuō)：我們與OLCF的工作人員緊密合作，建立了一個(gè)高度可伸縮的工作流，使我們能夠同時(shí)使用泰坦上的數(shù)千個(gè)內(nèi)核。這些模擬揭示了晶格畸變與質(zhì)子結(jié)合能(從鈣鈦礦材料中分離質(zhì)子所需的能量)之間的關(guān)系，可以使質(zhì)子更重、速度更慢，從而抑制質(zhì)子的最佳傳導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)有助于研究人員識(shí)別現(xiàn)有材料，并開發(fā)出能夠與Y-BZO競(jìng)爭(zhēng)的新材料，移動(dòng)離子與晶格畸變的耦合是離子傳導(dǎo)最重要的因素之一。

理解這種聯(lián)系意味著我們可以選擇性地設(shè)計(jì)出離子導(dǎo)電性更好的固體材料。除了這些結(jié)果對(duì)能源應(yīng)用的實(shí)際好處之外，該團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)還為科學(xué)概念提供了基本的見解。在理解是什么限制了現(xiàn)有材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)的過(guò)程中，希望也能發(fā)現(xiàn)一些新物理現(xiàn)象，這都與潛在的原子機(jī)制有關(guān)。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，研究小組成員進(jìn)行了一系列互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，包括脈沖激光沉積、掃描透射電鏡、時(shí)間分辨開爾文探針力顯微鏡、CNMS原子探針層析成像技術(shù)，以及散裂中子源(SNS)的中子散射。

CNMS、SNS和OLCF都是位于ORNL的能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，研究人員計(jì)劃將研究范圍擴(kuò)大到質(zhì)子和鈣鈦礦之外，以研究移動(dòng)離子在其他種類材料中的行為。未來(lái)的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)提高其他類型燃料電池以及鋰離子電池的性能。用于研究摻雜鈣鈦礦的計(jì)算框架可以應(yīng)用于其他類型的晶體無(wú)機(jī)固體，而這種大型缺陷數(shù)據(jù)集可用性使我們能夠利用ORNL在先進(jìn)人工智能技術(shù)方面的專長(zhǎng)來(lái)加速材料發(fā)現(xiàn)。