Forskare vid Institute of Industrial Science (IIS) inom Tokyos universitet och samarbetspartners har utvecklat en ny metod för att snabba på utvecklingen av batterier och supraledare. Genom en nyskapad ekvation kan de nu förutse stabiliteten hos material som använder sig av interkalation, en viktig egenskap i modern teknologi såsom litiumjonbatterier och nästa generations supraledare.
Denna upptäckt, publicerad i ACS Physical Chemistry Au, förenklar processen att identifiera lovande material för avancerad elektronik och energilagringsenheter, vilket tidigare krävde omfattande försök och fel i laboratorier.
Införlivar atomer
Intercalation innebär att atomer eller molekyler införlivas i ett värdmaterial, vilket kan förändra dess egenskaper till det bättre. Denna process är central för många av dagens och framtidens enheter, men utmaningen har legat i att förutse vilka kombinationer av värdmaterial och så kallade gäster (atomer eller molekyler) som är stabila utan omfattande laboratorietester.
Det handlar om en process där ett material (en gäst) införlivas mellan skikten av ett annat material (en värd) utan att signifikant förändra värdmaterialets struktur. Denna teknik används ofta inom materialvetenskap och kemi, särskilt i sammanhang av batteriteknologi och supraledare.
I batterier, speciellt litiumjonbatterier, sker interkalation när litiumjoner infogas mellan skikten av elektrodmaterialet under laddning och tas ut under urladdning. Detta gör det möjligt för batteriet att lagra och frigöra energi. Intercalationsprocessen är reversibel, vilket är avgörande för batteriers förmåga att laddas och urladdas upprepade gånger.
För supraledare och andra avancerade material kan interkalation användas för att modifiera egenskaperna hos värdmaterialet, exempelvis dess elektriska ledningsförmåga eller kemiska reaktivitet, genom att införa gästatomer eller molekyler i dess struktur.
Ny tillämpning
Processen med interkalation är central för utvecklingen av nya och förbättrade material för en mängd tillämpningar, från energilagring och -omvandling till elektronik och katalys.
Forskningslaget lyckades med hjälp av endast två egenskaper hos gästerna och åtta beskrivande faktorer för värdmaterialen beräkna energi och stabilitet för interkalerade material. Denna framgång bygger på grundläggande fysikprinciper, vilket skiljer sig från tidigare datorbaserade modeller som ofta saknat fysisk grund eller validering mot okända material.
Större precision
Denna forskning öppnar för snabbare utveckling och minskade kostnader inom både batteri- och elektronikindustrin. När tidigare mycket tid och resurser har lagts på att experimentera fram nya material kan forskarna nu med större precision och effektivitet förutse vilka materialkombinationer som erbjuder de önskade egenskaperna för nästa generations teknologier.
Utöver potentialen att revolutionera batteriteknologin, pekar denna upptäckt mot en framtid där avancerade funktioner kan implementeras snabbare i marknadsprodukter. Med tanke på den växande efterfrågan på hållbara energilösningar och effektivare elektroniska enheter, representerar denna forskning ett viktigt framsteg mot att möta dessa globala utmaningar.
Källa: Science Daily