離子傳導是指離子在物質內部從一個位置移動到另一個位置。離子通過點狀缺陷，點狀缺陷是原子排列不均勻的一種現象，原子排列一致的情況稱為晶格。這種緩慢的過程有時會限制燃料電池、電池和其他能源存儲技術的性能和效率。在確定固體材料哪些基本性能對改善這些應用至關重要之前，研究人員必須更好地理解控制離子傳導的因素。為了追求這一知識，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的一個多學科團隊開發了一個計算框架來處理和分析離子傳導固體的大型數據集。

研究人員使用了一個包含80多種不同組成的鈣鈦礦材料的數據集，主要集中于識別和優化那些具有良好質子傳導能力的材料。這些新材料能夠生產出更可靠、更高效的質子傳導固體氧化物燃料電池：一種能將化學物質轉化為電能用于實際用途(如為汽車提供動力)的儲能設備，其研究結果發表在《物理化學與材料化學》期刊上。

ORNL納米材料科學中心(CNMS)首席研究員PanchapakesanGanesh說：我們正在尋找更好的離子導電材料，因為在任何用于燃料電池或電池的固體電解質中，離子移動得越快，設備的運行效率就越高。

現在有了一個理解，這將幫助我們為開發這種材料提出新的設計原則。研究小組研究材料包括一種已知速度最快的質子導體，一種由釔(Y)取代鋯(Zr)形成的復合鋯鋇(BaZrO3)改進型。釔是一種降低化合物總電荷以促進質子添加的元素。表現出這種行為的元素被稱為受體摻雜劑，所討論的材料通常被稱為摻鐿的BaZrO3，或Y-BZO。如果沒有泰坦(Titan)超級計算機的計算能力，系統地在短時間內從鈣鈦礦數據集中篩選這么多候選是不可能的。泰坦是位于橡樹嶺領導力計算設施(OLCF)的CrayXK7超級計算機。

離子傳導燃料電池材料晶格畸變特別重要！

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通過使用多個代碼和一個名為wraprun的計算工具，OLCF工作人員幫助團隊開發了一個針對Titan架構優化的自動化工作流。Ganesh說：我們與OLCF的工作人員緊密合作，建立了一個高度可伸縮的工作流，使我們能夠同時使用泰坦上的數千個內核。這些模擬揭示了晶格畸變與質子結合能(從鈣鈦礦材料中分離質子所需的能量)之間的關系，可以使質子更重、速度更慢，從而抑制質子的最佳傳導。這一發現有助于研究人員識別現有材料，并開發出能夠與Y-BZO競爭的新材料，移動離子與晶格畸變的耦合是離子傳導最重要的因素之一。

理解這種聯系意味著我們可以選擇性地設計出離子導電性更好的固體材料。除了這些結果對能源應用的實際好處之外，該團隊的新發現還為科學概念提供了基本的見解。在理解是什么限制了現有材料中的質子傳導的過程中，希望也能發現一些新物理現象，這都與潛在的原子機制有關。為了驗證計算結果，研究小組成員進行了一系列互補實驗，包括脈沖激光沉積、掃描透射電鏡、時間分辨開爾文探針力顯微鏡、CNMS原子探針層析成像技術，以及散裂中子源(SNS)的中子散射。

CNMS、SNS和OLCF都是位于ORNL的能源部科學用戶設施辦公室，研究人員計劃將研究范圍擴大到質子和鈣鈦礦之外，以研究移動離子在其他種類材料中的行為。未來的發現可能會提高其他類型燃料電池以及鋰離子電池的性能。用于研究摻雜鈣鈦礦的計算框架可以應用于其他類型的晶體無機固體，而這種大型缺陷數據集可用性使我們能夠利用ORNL在先進人工智能技術方面的專長來加速材料發現。