منذ الأربعينيات من القرن الماضي ، كان العلماء يستكشفون استخدام أكسيد النيوبيوم ، وتحديداً أحد أشكال أكسيد النيوبيوم المعروف باسم T-Nb 2 O 5 ، لإنتاج بطاريات أكثر كفاءة. تُعرف هذه المادة الفريدة بقدرتها على السماح لأيونات الليثيوم ، الجزيئات الصغيرة المشحونة التي تجعل البطاريات تعمل ، بالتحرك بسرعة داخلها. كلما زادت سرعة حركة أيونات الليثيوم ، زادت سرعة شحن البطارية.
ومع ذلك ، كان التحدي دائمًا يتمثل في تنمية مادة أكسيد النيوبيوم هذه إلى طبقات رقيقة ومسطحة أو “أفلام” ذات جودة عالية بما يكفي لاستخدامها في التطبيقات العملية.
تنبع هذه المشكلة من التركيب المعقد لـ T-Nb 2 O 5 ووجود العديد من الأشكال المتشابهة ، أو الأشكال المتعددة ، لأكسيد النيوبيوم.
في ورقة بحثية نُشرت في Nature Materials ، تعاون أعضاء مجموعة أبحاث Andrew Rappe في جامعة بنسلفانيا مع باحثين في معهد Max Planck ، وأثبتت جامعة كامبريدج بنجاح نمو طبقات بلورة مفردة عالية الجودة من T-Nb 2 O 5 ، محاذاة بطريقة تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بشكل أسرع.
يقول رابي: “يتيح هذا التحول الدراماتيكي مجموعة من التطبيقات المحتملة ، من شحن البطارية عالي السرعة إلى الحوسبة الموفرة للطاقة وغير ذلك الكثير”.
يقول المؤلف المشارك Zhen Jiang ، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراه في مجموعة Rappe Group: “تعتمد طرائقنا التقليدية لتخزين الليثيوم في الكاثودات عادةً على عملية إعادة التبلور التي تميل إلى التداخل مع الهيكل ، مثل تلك التي نراها في بطاريات اليوم”.
ويضيف آرون شانكلر ، طالب دراسات عليا في كلية الآداب والعلوم ، “ما فعله الفريق في ماكس بلانك وجامعة كامبريدج هو إيجاد طريقة لتحريك أيونات الليثيوم بطريقة لا تعطل التركيب البلوري من فيلم T-Nb 2 O 5 الرقيق ، وساعدنا في تفسير سبب تحرك الأيونات للداخل والخارج بسرعة وعكس. ”
يشبه Rappe T-Nb 2 O 5 بهيكل مواقف السيارات متعدد المستويات حيث تكون أيونات الليثيوم عبارة عن سيارات ويشكل هيكل T-Nb 2 O 5 قنوات مفتوحة أو منحدرات تسمح للسيارات بالتحرك لأعلى ولأسفل بين المستويات .
يقول المؤلف الأول هيون هان من معهد ماكس بلانك، “من خلال زيادة T-Nb 2 O 5 بحيث تعمل هذه القنوات عموديًا ، أو” لأعلى ولأسفل “، أتاح فريقنا لأيونات الليثيوم أن تتحرك بشكل أسرع بشكل ملحوظ ، مما يسمح بإجراء تغييرات سريعة وهائلة في الخواص الكهربائية للنحافة أفلام عن طريق إدخال أيونات الليثيوم بين الذرات في الطرف السالب لنظامنا”.
يلاحظ راب أن الباحثين من جامعة كامبريدج عملوا عن كثب مع فريقه واكتشفوا انتقالات متعددة غير معروفة سابقًا في بنية المادة مع تغير تركيز أيونات الليثيوم.
تعمل هذه التحولات على تغيير الخصائص الإلكترونية للمادة ، مما يسمح لها بالانتقال من كونها عازلًا إلى معدن ، مما يعني أنها تنتقل من منع التيار الكهربائي إلى توصيله. هذا تحول دراماتيكي. تقل مقاومة المادة بمعامل 100 مليار.
طور فريق Penn العمل الحسابي في تنظير الظروف اللازمة لإحداث استقرار في التحولات من خلال حسابات نظرية الكثافة الوظيفية ، وهي طريقة ميكانيكية كمومية تُستخدم لفحص البنية الإلكترونية لأنظمة متعددة الأجسام ، وخاصة الذرات والجزيئات و مراحل مكثفة. يقول رابي إنه باستخدام هذه الطريقة ، يمكن للفريق حساب السلوك المادي والتنبؤ به في ظل ظروف مختلفة.
يقول إن الحسابات النظرية ساعدت في ترشيد التحولات متعددة الطور التي لاحظوها ، وكذلك كيف يمكن أن تكون هذه المراحل مرتبطة بتركيز أيونات الليثيوم وترتيبها داخل الهيكل البلوري. هذا الفهم ، بدوره ، سمح للباحثين بالتحكم الفعال والتلاعب بالخصائص الإلكترونية للأغشية الرقيقة T-Nb 2 O 5 .
يقول Arvin Kakekhani ، وهو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مجموعة Rappe Group: “إن حسابات المحاكاة الذرية لها فوائد عظيمة في تطوير أساسيات العلم في الأوساط الأكاديمية ولكن أيضًا في مختلف التقنيات في الصناعة”. “يوضح هذا العمل كيف يمكن لهذه الحسابات أن تكمل التجارب ، وتوضح دور انتشار الليثيوم في الخواص الكهربائية لبطاريات الحالة الصلبة الهامة والمواد الإلكترونية.”
تقول كلير ب. جراي من جامعة كامبريدج: “تتيح لنا القدرة على التحكم في اتجاه هذه الأفلام استكشاف النقل المعتمد بشكل مباشر في هذه الفئة المهمة من الناحية التكنولوجية من المواد ، وهو أمر أساسي لفهم كيفية عمل هذه المواد”.
من خلال التلاعب بهذه التحولات الطورية ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم التحكم بشكل متكرر وموثوق في الخصائص الإلكترونية لهذه الأغشية الرقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تغيير التركيب الكيميائي لقطب “البوابة” ، وهو مكون يتحكم في تدفق الأيونات في الجهاز ، تمكنوا من ضبط الجهد الذي تصبح فيه المادة معدنية ، مما يوسع التطبيقات المحتملة.
يقول ستيوارت إس بي باركين من معهد ماكس بلانك: “هذا البحث هو شهادة على قوة التعاون متعدد التخصصات وفضول علمي لا يهدأ”. “لقد تم تحسين فهمنا لـ T-Nb 2 O 5 والمواد المعقدة المماثلة بشكل كبير ، مما وضع المسار لمستقبل أكثر استدامة وكفاءة.”
