Satu pasukan yang diketuai oleh Sekolah Kejuruteraan Molekul Pritzker Universiti Chicago telah menemui kejayaan dalam sains asas dengan menemui bahan yang mengecut apabila dipanaskan dan mengembang di bawah tekanan.

Apakah yang berkembang apabila diperah dan mengecut apabila dipanaskan, kedua-duanya untuk mengubah pemahaman asas saintis tentang bahan dan untuk memulihkan bateri EV lama kepada prestasi baharu?

Ia bukan misteri – ia adalah bahan baharu yang luar biasa yang ditemui oleh penyelidik bateri di Sekolah Kejuruteraan Molekul Pritzker Universiti Chicago (UChicago PME) dengan kerjasama saintis pelawat dari University of California, San Diego. Melalui kerjasama penyelidikan berterusan mereka, pasukan itu telah menemui bahan yang mempamerkan sifat pengembangan haba negatif dalam keadaan aktif metastabil, oksigen-redoks.

Secara ringkasnya, bahan yang dibangunkan oleh penyelidik ini nampaknya bertentangan dengan jangkaan tradisional berdasarkan termodinamik. Secara umum, tindak balas bahan stabil kepada haba, tekanan atau elektrik boleh diramalkan. Walau bagaimanapun, dalam metastabilitas yang baru ditemui, tindak balas ini menjadi terbalik, berkelakuan bertentangan sepenuhnya dengan norma tradisional.

"Apabila anda memanaskan bahan, isipadu tidak berubah. Apabila dipanaskan, bahan mengecut dan bukannya mengembang," kata Shirley Meng, seorang profesor kejuruteraan molekul di PME Liew Family di University of Chicago dan pengarah Inisiatif Teknologi Tenaga di Institut Iklim dan Pertumbuhan Mampan yang baru ditubuhkan. "Kami percaya bahawa kami boleh menyesuaikan sifat bahan ini melalui kimia redoks. Ini boleh membawa kepada aplikasi yang sangat menarik. ”

Penemuan mereka diterbitkan dalam jurnal Nature.

"Salah satu matlamatnya adalah untuk memindahkan bahan-bahan ini daripada penyelidikan kepada industri, berpotensi membangunkan bateri baharu dengan tenaga khusus yang lebih tinggi," kata Bao Qiu, seorang sarjana pelawat di University of California, San Diego, dari Institut Teknologi dan Kejuruteraan Bahan Ningbo (NIMTE).

Sebagai tambahan kepada pelbagai teknologi baharu yang telah dibawa oleh penemuan ini, penyelidikan ini mewakili kemajuan dalam sains tulen. Bagi Shirley Meng, ia lebih mengujakan.

"Ini telah mengubah pemahaman kita tentang sains asas," kata Shirley Meng. "Kerja kami telah dipandu oleh model Universiti Chicago, yang memupuk inkuiri dan pembangunan pengetahuan."

Bangunan, bateri, dan "idea gila"

Dengan memperhalusi cara bahan ini bertindak balas terhadap haba dan bentuk tenaga lain, penyelidik boleh mencipta bahan dengan pengembangan haba sifar. Ini boleh merevolusikan bidang seperti pembinaan.

"Saya akan mengatakan bahawa bahan pengembangan haba sifar adalah impian," kata Rakan Penyelidik PME Universiti Chicago. Prof. Minghao Zhang ialah pengarang bersama kertas kerja ini. "Ambil setiap bangunan sebagai contoh. Anda tidak mahu bahan yang membentuk komponen yang berbeza berubah terlalu kerap. ”

Tetapi haba hanyalah satu bentuk tenaga. Untuk menguji bagaimana bahan-bahan ini bertindak balas terhadap tenaga mekanikal, mereka memampatkannya ke tahap gigapascal – tahap tekanan yang sangat tinggi sehingga ia biasanya hanya digunakan apabila membincangkan aktiviti plat tektonik. Mereka mendapati apa yang dipanggil "kebolehmampatan negatif".

"Kebolehmampatan negatif adalah seperti pengembangan haba negatif," kata Profesor Zhang. "Jika anda memampatkan zarah bahan dari semua arah, seperti yang anda boleh bayangkan, ia secara semula jadi akan mengecut. Tetapi bahan ini berkembang. ”

Profesor Zhang berkata bahawa bahan yang boleh menahan suhu atau tekanan tinggi boleh merealisasikan beberapa "idea gila" teori sebelum ini. Dia memberi contoh bateri struktur, di mana sekat pesawat semua elektrik berfungsi sebagai dinding bateri, membantu mencipta pesawat yang lebih ringan dan lebih cekap. Bahan baharu ini boleh melindungi sel bateri daripada perubahan suhu dan tekanan pada ketinggian yang berbeza, menjadikan langit bukan lagi had teknologi baharu ini.

Berikan kereta elektrik lama anda rupa baharu

Seperti haba dan tekanan, tindak balas bahan metastabil kepada tenaga elektrokimia (voltan) diterbalikkan.

"Ini bukan sahaja penemuan saintifik yang penting, tetapi juga sangat terpakai untuk penyelidikan bateri," kata Profesor Zhang. "Apabila kami menggunakan voltan, kami memacu bahan kembali ke keadaan asalnya. Kami mengitar semula bateri. ”

Untuk memahami metastabilitas, bayangkan bola di atas gunung. Bola tidak stabil di puncak bukit. Ia akan bergolek ke bawah. Ia stabil di kaki gunung. Ia tidak bergolek. Metastabilitas berada di antaranya, bola berhampiran dengan puncak bukit tetapi bertengger di atas sekeping rumput. Metastabilitas ini boleh menjadi agak berterusan – berlian, sebagai contoh, ialah bentuk grafit metastabil. Tetapi tenaga diperlukan untuk menolak bahan metastabil keluar dari "rumputnya" supaya ia boleh bergolek kembali ke keadaan mantap.

"Untuk mengembalikan bahan kepada keadaan stabil daripada metastabilitas, anda tidak perlu selalu menggunakan tenaga haba," kata Prof. Zhang. "Anda boleh menggunakan apa-apa jenis tenaga untuk memacu sistem."

Ini membuka jalan untuk menetapkan semula bateri EV yang sudah tua. Sebagai contoh, kereta elektrik yang boleh berjalan 200 batu dengan sekali cas hanya boleh bergerak 0 atau 0 batu sebelum mengecas selepas bertahun-tahun memandu. Menggunakan pemacu elektrokimia untuk menolak bahan-bahan ini kembali ke keadaan stabil boleh memulihkan kereta kepada julat yang ada semasa ia masih baharu.

"Anda tidak perlu menghantar bateri kembali kepada pengilang atau mana-mana pembekal. Anda hanya perlu melakukan permulaan voltan ini," kata Profesor Zhang. "Baiklah, kereta anda akan menjadi kereta baru. Bateri anda akan menjadi yang baharu. ”

Langkah seterusnya, kata para penyelidik, ialah terus menggunakan kimia redoks untuk memeriksa bahan dan "mengekstrak titik kritikal", meneroka sempadan sempadan baharu penyelidikan asas ini.