科研进展丨玻璃形成能力理论辅助设计高性能过冷液体电解液

2024-05-17
361
正文字体:

当熔体被以较快的速率冷却到熔点温度以下直至低温固体状态时便会转化为玻璃。不同的材料往往具备差异巨大的临界冷却速率,决定了它们的玻璃形成能力各不相同。例如,二氧化硅可形成玻璃的临界冷却速率约为10-7K/s,多组元的非晶合金(如ZrTiCuNiBe和PdNiCuP等)具有接近10-1K/s的临界冷却速率,而金属单质的临界冷却速率可以达到1014K/s。如此巨大差异的临界冷却速率是由什么控制的仍然是科学研究的热点和难点。

在近几年中,胡远超研究员在该领域开展了一系列系统而深入的研究。通过大规模的分子动力学模拟,揭示了控制玻璃形成能力的关键因素是液固界面能。在微观尺度上,该热力学参量是由过冷液体中的不同局域序结构间的竞争控制的。当过冷液体中存在复杂多样的局域序,并且它们与平衡晶体序之间有所差异,那么它们将会对结晶过程产生阻挫作用,从而延迟晶体形核和长大,促进玻璃的形成。

近日,胡远超研究员同香港中文大学和中国科学院物理研究所的研究团队(蒋礼威博士等)合作,成功开发了具有高性能的过冷液体电解液。该电解液可以促使可充电钠离子电池在极低温下运转。其先决条件即为电解液材料具有优异的玻璃形成能力,可在过冷液体状态下稳定存在而不发生晶化。背后的物理机制是盐溶液中存在的极其复杂多样的局域结构序和化学序相互竞争,提高结晶的势垒,阻碍晶体形核,从而可以使其被过冷到较低温度,保持电池的运行活性。该研究揭示了玻璃形成能力理论在电化学应用场景比如水溶液二次电池中的重大物理意义,促进了不同学科间的交叉与融合。相关研究成果以“Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries”为题发表在国际知名期刊Nature Energy [doi: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01527-5]上。

撰稿:数据驱动材料科学研究组