С этой целью было приложено много усилий для поиска материалов с превосходной ионной проводимостью. Среди наиболее перспективных – твердотельные ионные проводники, содержащие полианионы, такие как B12H122-. Они представляют собой особый класс материалов из-за их уникального транспортного поведения, при котором полианионы вращаются при повышенной температуре, тем самым значительно повышая катионную проводимость.
Однако основным недостатком является высокая температура (= энергия), необходимая для активации вращения, что, наоборот, означает низкую проводимость при комнатной температуре.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа в Университете Тохоку, возглавляемая доцентом Сигеюки Такаги и профессором Син-ичи Оримо, установила новый принцип суперионной проводимости при комнатной температуре.
Его результаты были недавно опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Исследовательской группе удалось снизить температуру активации, используя комплексы гидрида переходных металлов в качестве нового класса вращающихся полианионов, в которых водород является единственной разновидностью лиганда, ковалентно связывающейся с отдельными переходными металлами.
В отличие от полианионов B12H122-, вращение гидридных комплексов переходных металлов требует только смещения высокомобильного водорода, и поэтому можно ожидать, что оно будет происходить с низкой энергией активации.
Затем группа изучила динамику гидридных комплексов переходных металлов в нескольких существующих гидридах и обнаружила, что они переориентируются – как будто вращаются за счет повторяющихся небольших деформаций – даже при комнатной температуре.
Этот вид движения известен как «псевдовращение» и редко наблюдается в твердом веществе. Из-за небольших смещений атомов водорода энергия активации псевдовращения относительно мала – более чем в 40 раз ниже, чем, по сообщениям, необходимо для вращения B12H122-.
В результате того, что катионная проводимость продвигается из низкотемпературной области за счет псевдовращения, проводимость по ионам лития в Li5MoH11, содержащем MoH93-, например, может достигать 79 мСм см-1 при комнатной температуре.
Это более чем в три раза превышает мировой рекорд проводимости по ионам лития при комнатной температуре, зарегистрированный на сегодняшний день. Это говорит о том, что можно реализовать полностью твердотельный литий-ионный аккумулятор с более коротким временем зарядки при комнатной температуре.
Обнаруженный механизм является довольно общим и может быть полезен для понижения температуры, необходимой для активации вращения полианионов.
Это может положительно повлиять на поиск композиций, которые поддаются воздействию суперионных проводников при комнатной температуре.