自20世纪40年代以来，科学家们一直在探索使用铌氧化物，特别是一种称为T-Nb2O5的铌氧化物，来制造更高效的电池。这种独特的材料因其能够让锂离子(使电池工作的微小带电粒子)在其中快速移动而闻名。这些锂离子移动得越快，电池充电的速度就越快。

然而，挑战始终是将这种铌氧化物材料生长成薄而平坦的层或“薄膜”，其质量足够高以用于实际应用。这个问题源于T-Nb2O5的复杂结构以及氧化铌的许多相似形式或多晶型物的存在。

在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，宾夕法尼亚大学AndrewRappe研究小组的成员与马克斯·普朗克研究所和剑桥大学的研究人员合作，成功证明了高质量单晶T-Nb2层的生长O5，以允许锂离子移动得更快的方式排列。

“这种巨大的转变实现了一系列潜在的应用，从高速电池充电到节能计算等等，”拉普说。

“我们在阴极中存储锂的传统方式通常依赖于重结晶过程，该过程往往会干扰结构，就像我们在今天的电池中看到的那样，”合著者、RappeGroup前博士后研究员JenianJiang说。

艺术与科学学院的研究生AaronSchankler补充道：“马克斯·普朗克和剑桥大学的团队所做的就是找到一种在不破坏晶体结构的情况下移动锂离子的方法。我们的T-Nb2O5薄膜的研究，我们帮助合理解释了为什么离子可以快速、可逆地进出。”

Rappe将T-Nb2O5比作多层停车场结构，其中锂离子是汽车，T-Nb2O5的结构形成开放通道或坡道，允许汽车在各层之间上下移动。

“通过生长T-Nb2O5使这些通道垂直运行，或‘上下’运行，我们的团队使锂离子的移动速度显着加快，从而使薄层的电性能发生快速而巨大的变化。通过在我们系统负极端子的原子之间插入锂离子来形成薄膜，”马克斯·普朗克研究所的第一作者HyeonHan说。

拉普指出，剑桥大学的研究人员与他的团队密切合作，发现随着锂离子浓度的变化，材料结构中出现了多个以前未知的转变。

这些转变改变了材料的电子特性，使其从绝缘体转变为金属，这意味着它从阻止电流变为传导电流。这是一个戏剧性的转变。材料的电阻率降低了1000亿倍。

宾夕法尼亚大学的团队开发了计算工作，通过密度泛函理论计算对产生跃迁稳定性所需的条件进行理论化，密度泛函理论计算是一种量子力学方法，用于研究多体系统的电子结构，特别是原子、分子和凝聚相。拉普说，通过这种方法，团队可以计算和预测不同条件下的材料行为。

他说，理论计算有助于合理化他们观察到的多个相变，以及这些相与锂离子浓度及其在晶体结构内的排列的关系。这种理解反过来又使研究人员能够有效地控制和操纵T-Nb2O5薄膜的电子特性。

RappeGroup前博士后研究员ArvinKakekhani表示：“原子模拟计算对于推进学术界的科学基础以及工业界的各种技术都有很大的好处。”“这项工作展示了这些计算如何补充实验，阐明锂扩散在重要固态电池和电子材料的电性能中的作用。”

剑桥大学的ClareP.Gray表示：“控制这些薄膜方向的能力使我们能够探索这类技术上重要的材料中的方向依赖性传输，这对于理解这些材料的工作原理至关重要。”

通过操纵这些相变，研究人员证明他们可以重复且可靠地控制这些薄膜的电子特性。此外，通过改变“栅”电极(控制设备中离子流动的组件)的化学成分，他们能够调节材料变成金属的电压，进一步扩展了潜在的应用。

马克斯·普朗克研究所的斯图尔特·SP·帕金(StuartSPParkin)表示：“这项研究证明了跨学科合作的力量和不可抑制的科学好奇心。”“我们对T-Nb2O5和类似复杂材料的理解得到了显着增强，为更加可持续和高效的未来奠定了基础。”