超离子材料的弹性张量

了解固态离子导体(也称为超离子材料)的弹性特性是开发固态电解质 (SSE) 的关键挑战，该电解质可以替代当今使用的液态有机电解质，从而提高商用锂离子电池的安全性.

虽然应用于 SSE 弹性张量的第一性原理计算通常利用静态密度泛函理论 (DFT) 计算在施加应变下所选配置的总能量或应力，但这些静态方法可能不适用于超离子材料。这是因为 Li 离子在此类材料中的环境温度下非常易移动，导致起重要作用的动力学紊乱：原子不仅在其平衡位置附近振动，而且表现出准液体行为，只能用基于整个配置空间采样的统计方法。

在最近发表在npj Computational Materials上的论文“也是液体的固体：超离子材料的弹性张量”中， NCCR MARVEL 研究人员 Giuliana Materzanini(现在加州大学鲁汶分校)以及 Tommaso Chiarotti 和 Nicola Marzari 在 EPFL 应用了一种完全动态的方法来恢复超离子材料的弹性张量和弹性模量。这是基于在广泛的第一性原理分子动力学模拟过程中计算应变平均协方差的 Parrinello-Rahman 方法。因此，该团队能够获得三种基准氧化物和硫化物 SSE 的弹性常数和模量的参考结果。结果表明，静态方法大大高估了弹性响应，在 25% 到 50% 之间。

“固态离子学界的人们没有发现用静态方法计算此类材料的弹性常数的问题——这是一种既定的协议，”马特扎尼尼说。“我们上前问，‘我们确定我们做的是正确的事吗?’现在我们知道答案了：不是真的，至少对于这里研究的材料而言是这样。”

研究人员解释了他们的发现，指出超离子材料的准液体性质。这使它们符合要求，这一特征只能通过考虑移动离子的连续迁移来捕捉，即使在室温下也是如此。结果，尤其是静态方法对适当动态处理的高估，表明通过动态采样解决超离子导体的弹性特性是多么重要。研究人员说，这项工作还提供了社区以前无法获得的计算参考结果。

他们在论文中写道，需要进行额外的计算和实验研究。这既是因为对用于全固态电池技术的超离子材料的机械性能越来越感兴趣，也是因为除了许多弹性性能之外，弹性范围之外的一些机械性能——断裂韧性，脆性和剪切强度等等——也经常从弹性模量开始预测。科学家们说，这进一步强调了准确测量或预测的重要性。

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