Аргонн: 4D-рассеяние нейтронов выявило согласованное движение ионов в кристалле SrCl2
Квазиупругое рассеяние нейтронов на монокристалле хлорида стронция выше 900 К выявило согласованное движение ионов. Кристалл — тестовый материал, не батарея.
Исследователи под руководством Аргоннской национальной лаборатории применили четырёхмерное квазиупругое рассеяние нейтронов (4D-QENS), чтобы изучить движение ионов в монокристалле хлорида стронция (SrCl2), сообщается в статье в PRX Energy. aps.org
PRX Energyaps.orgОткрыть источник ↗ Измерения выполнены на источнике нейтронов Spallation Neutron Source в Национальной лаборатории Ок-Ридж при температурах выше перехода в суперионную фазу. SrCl2 — быстрый ионный проводник выше 900 К. Это проверка метода на хорошо изученном материале; рабочую батарею не создавали и не испытывали.
Как проводили измерение
Команда направляла нейтроны на кристалл и регистрировала их рассеяние. Изменения направления и энергии нейтронов несут сведения о движении атомов и ионов внутри образца. В ходе набора данных кристалл вращали, что дало более полную картину рассеяния по разным направлениям. Это позволило объединить три измерения информации о движении с измерениями передачи энергии.
Авторы регистрировали и некогерентное, и когерентное рассеяние, чтобы изучить коррелированное движение прыгающих анионов. Метод даёт намного больше данных, чем более простое измерение рассеяния. Для их сбора и анализа использовали мощный источник нейтронов и вычислительные ресурсы.
Что показали данные
Уточнение некогерентного рассеяния дало времена пребывания и вероятности прыжков между узлами решётки. Они хорошо согласуются с предыдущими работами и подтверждают, что прыжки ионов вдоль направлений на ближайших соседей — самый вероятный путь проводимости. aps.org
PRX Energyaps.orgОткрыть источник ↗
Когерентное рассеяние показало признаки сужения де Жена, что указывает на важность корреляций между ионами в механизме проводимости. Такие эффекты трудно заметить, если считать каждый ион движущимся независимо. Движение одного иона влияет на то, есть ли у соседнего место для прыжка, поэтому взаимодействия могут как помогать ионам проходить через твёрдое тело, так и мешать им.
Авторы указывают на необходимость улучшить и теорию ионного транспорта в флюоритовых соединениях, и моделирование когерентного 4D-QENS в монокристаллах. Быстрая ионная проводимость в твёрдых телах важна для батарей, топливных элементов, сенсоров и суперконденсаторов. Применение метода к более практичным твёрдым электролитам — отдельный шаг, который в этой работе не делали.
