I ricercatori del TU Graz migliorano la conduttività del titanato di litio attraverso l’“incisione di fori” nella struttura cristallina

I ricercatori della TU Graz hanno trovato un modo per aumentare significativamente la conduttività ionica del titanato di litio, aprendo potenzialmente nuove possibilità per i materiali degli anodi delle batterie. Introducendo intenzionalmente difetti nella struttura a reticolo cristallino del materiale, hanno “attivato un percorso precedentemente bloccato” per gli ioni di litio.

Oltre al grafite, il titanato di litio (LTO) è un materiale anodico ampiamente utilizzato nelle batterie. Tuttavia, nello stato non trattato, conduce male gli ioni di litio. La sua elevata conduttività ionica si sviluppa soltanto durante la carica della batteria, quando ulteriori ioni di litio ed elettroni vengono intercalati nel materiale.

I ricercatori Bernhard Gadermaier e Martin Wilkening dell’Istituto di Tecnologia Chimica dei Materiali della TU Graz sono riusciti a trasformare il LTO puro (‘non litiato’) con la sua composizione originale Li4Ti5O12 in un conduttore ionico notevolmente migliore, utilizzando un approccio del tutto nuovo. La coppia ha ottenuto questo risultato creando intenzionalmente ‘buchi’ nella struttura cristallina, noti come vuoti di ossigeno. “Quando singoli atomi di ossigeno vengono rimossi dalla struttura cristallina, questi vuoti aprono una via di migrazione per gli ioni che in precedenza era bloccata. Questo percorso di diffusione è già definito dalla struttura del LTO, ma viene attivato soltanto dalla presenza di tali difetti”, spiega Wilkening. I risultati dello studio sperimentale sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

Per creare le vacanze nel LTO, i ricercatori hanno riscaldato il titanato di litio in un’atmosfera a basso contenuto di ossigeno fino a 300 gradi Celsius. “Questo riscaldamento graduale rimuove gli atomi di ossigeno singoli dalla struttura cristallina”, continua Wilkening. “Le vacanze anioniche che ne risultano nella struttura cristallina influenzano direttamente la mobilità dei cationi di litio, trasformando un conduttore ionico inizialmente scadente in uno notevolmente migliore. L’esempio del LTO dimostra chiaramente l’enorme impatto delle strutture difettose atomiche sulla funzione macroscopica di un materiale.”

Validazione sperimentale complessa

I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente la rapida conduzione ionica utilizzando una combinazione di spettroscopia di conduttività e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Le misurazioni NMR hanno fornito prove sperimentali dirette del nuovo percorso di diffusione atomica attivato.

“Lo studio sperimentale che abbiamo condotto dimostra in modo impressionante che le proprietà di un solido non sono determinate esclusivamente dalla sua composizione chimica, ma vengono anche influenzate in modo significativo dalla sua struttura di difetti locali e dalla sua storia termica,” riassume Martin Wilkening. “Mostriamo come la mobilità dei piccoli cationi di litio possa essere controllata con precisione utilizzando concetti classici della chimica dei difetti anionici.”

Questo lavoro rappresenta inoltre un esempio eccellente di come la ricerca fondamentale guidata dalla curiosità possa portare a nuove funzionalità dei materiali,” sottolineano i ricercatori. “Il controllo mirato della conduttività ionica attraverso la chimica dei difetti apre prospettive a lungo termine per componenti ionotroniche, memristive e neuromorfiche nella micro- e nanoelettronica.”