该研究结果于11月10日在线发表在该杂志上能源与环境科学。

一般来说，可充电电池的工作原理是通过外部电线将电子从一边移动到另一边，然后再移动回来。为了平衡这种能量的转移，带电荷的原子(称为离子)，如锂离子，通过一种称为电解质的化学物质在电池内移动。这些离子的移动有多快、多容易，对电池的充电速度和在给定时间内能提供多少能量起着关键作用。

杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delaire说:“大多数研究人员仍然倾向于关注固体电解质的晶体结构如何使离子快速通过全固态电池。”“在过去的几年里，这个领域已经开始意识到原子如何跳跃的分子动力学也很重要。”

从小型智能手表到大型数据中心，锂离子电池长期以来一直是大多数需要储能的商业应用的主导技术。虽然锂离子电池已经取得了巨大的成功，但它也有一些缺点，这使得新技术在某些应用中更具吸引力。

例如，锂离子电池内部有一种液体电解质，虽然它能非常有效地让锂离子快速通过，但也非常易燃。随着锂市场继续呈指数级增长，人们担心能否从相对有限的全球锂储量中开采出足够的锂。建筑中使用的一些稀土元素，如钴和锰，甚至更稀有，只在世界上少数几个地方开采。

许多研究人员认为，替代技术是必要的，以补充对能源存储的飞速增长的需求，其中一个主要的候选者是钠离子电池。虽然不像锂离子电池那样能量密集或速度快，但这项技术有许多潜在的优势。钠比锂便宜得多，储量也更丰富。其组成部分所需的材料也更容易获得。通过用固态电解质材料代替液态电解质，研究人员可以制造出比目前可用的可充电电池能量密度更高、更稳定、更不容易着火的全固态电池。

这些优势使研究人员认为钠离子电池是锂离子电池的潜在可行替代品，在不受空间和速度要求限制的应用中，如超薄智能手机或轻型电动汽车。例如，在很长一段时间内需要大量能源的大型数据中心或其他建筑物是很好的选择。

“这通常是一个非常活跃的研究领域，人们正在竞相开发下一代电池，”德莱尔说。“然而，对于什么材料在室温下工作良好以及为什么工作良好，还没有足够强大的基础理解。我们正在提供对原子动力学的见解，使一种受欢迎的候选物质能够快速有效地运输钠离子。”

在这些实验中研究的材料是硫代磷酸钠，Na_3.PS₄。研究人员已经知道，磷和硫原子的晶体结构为钠离子创造了一个一维通道。但正如德莱尔解释的那样，没有人研究过相邻原子的运动是否也起着重要作用。

为了找到答案，Delaire和他的同事们将这种材料的样本带到橡树岭国家实验室。通过以极快的速度将中子从原子上弹回，研究人员捕捉到了一系列原子精确运动的快照。结果表明，构成隧道的金字塔形磷硫PS4单元在适当的位置扭曲和转动，几乎就像桨轮一样帮助钠离子通过。

德莱尔说:“这个过程之前已经被理论化了，但这些论点通常是以卡通的方式提出的。”“在这里，我们展示了原子实际在做什么，并表明，虽然这幅漫画有一点真实，但它也要复杂得多。”

研究人员通过在国家能源研究科学计算中心对原子动力学进行计算建模，证实了中子散射的结果。该团队使用了一种机器学习方法来捕捉原子振动和移动的势能面。由于不需要在每个时间点重新计算量子力学力，这种方法将计算速度提高了几个数量级。

随着对一种钠离子电解质的原子动力学的新见解和快速建模其行为的新方法，Delaire希望这些结果将有助于推动该领域从Na更快地向前发展_3.PS₄甚至更远。

德莱尔说:“尽管这是一种领先的材料，因为它具有高离子导电性，但已经有一种稍微不同的版本正在研究中，它使用锑而不是磷。”“但是，尽管该领域的发展速度很快，但我们在本文中提出的见解和工具应该有助于研究人员更好地决定下一步的发展方向。”

本研究得到了美国能源部(DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-06CH11357)和美国国家科学基金EPSCOR RII Track 4奖(No. 2033397)的支持。