研究人员发现超离子材料 适用于电池和其他能量转换装置

在进行研究时，科学家们通常会先精心选择研究主题，然后再设计适当的解决计划，并执行该计划。然而，在这一过程中，可能会有意外的发现。据外媒报道，Mercouri Kanatzidis教授不仅是西北大学（Northwestern University）的教授，而且在美国能源部的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）担任联合职务。他在寻找一种具有非常规行为的新型超导体时，有了意想不到的发现。这是一种只有四个原子厚度的材料，仅允许在二维空间内研究带电粒子的运动。这些研究可能会推动发明用于各种能量转换装置的新材料。

 二维超离子导体α-KAg3Se2的四层原子结构，原子颜色与图中名称颜色相符。（图片来源：阿贡实验室）

Kanatzidis的目标材料是一种银、钾和硒的混合物（α-KAg3Se2），呈四层结构，就像婚礼蛋糕一样。这些2D材料具有长度和宽度，但几乎没有厚度，只有四个原子高。

超导材料在冷却到极低温度时，会失去所有对电子运动的阻力。Kanatzidis表示：“令人失望的是，这种材料根本不是超导体，我们也不能让它成为超导体。但是，让我大吃一惊的是，这竟然是一个超离子导体的梦幻般的例子。”

在超离子导体中，带电离子在固体材料中，可以像在电池的液体电解质中一样自由漫游，从而使固体具有异常高的离子电导率，这是导电能力的衡量标准。这种高离子电导率带来了低热导率，这意味着热量不容易通过。这两种特性加在一起，使超离子导体成为可用于能量存储和转换设备的超级材料。

该研究小组发现了这种具有特殊性质的材料，第一条线索是，当把这种材料加热到华氏450-600度之间时，它会转变为一种更对称的分层结构。研究人员还发现，当降低温度，然后再升到高温区时，这种转变是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示：“分析结果显示，在转变之前，银离子被固定在材料中有限的二维空间内。然而，在发生转变之后，它们会左右摇摆。”虽然人们对离子在三维空间中的运动了解很多，但对其在二维空间中的运动却知之甚少。

一段时间以来，科学家们一直在寻找一种示范性材料，以用于研究2D材料中的离子运动。这种层状钾银硒材料似乎可成为其中之一。该团队测量了离子在这种固体中的扩散方式，发现它与重盐水电解质（已知最快的离子导体之一）相当。

现在判断这种特殊的超离子材料是否可以得到实际应用，还为时过早。但是，这种材料马上就可以成为设计其他具有高离子导电性和低导热系数2D材料的关键平台。MSD首席材料科学家Duck Young Chung表示：“对于设计用于电池和燃料电池的新型二维固体电解质而言，这些特性具有重要意义。”

对这种超离子材料的研究，也可能有助于设计新的热电材料，在发电厂、工业过程甚至汽车尾气中，将热能转化为电能。这些研究可用于设计用于环境净化和水淡化的膜。