Badacze z TU Graz „przewiercają” siatkę krystaliczną litu-titanatu

Naukowcy z TU Graz znaleźli sposób na znaczne zwiększenie przewodnictwa jonowego litu-titanatu. W eksperymentach udowodnili, że celowo wytworzone defekty w ścięgnie krystalicznym „aktywują dotychczas zablokowaną ścieżkę transportu jonów litu”. Jednak obecnie jest to nadal klasyczne badanie podstawowe.

Lit-titanat (LTO) jest obok grafitu często używanym materiałem anodowym w bateriach. Jednak w stanie nierobionym przewodzi jonów litu tylko słabo. Wysokie przewodnictwo jonowe rozwija się dopiero podczas ładowania baterii, gdy do materiału są dodawane dodatkowe jony litu i elektrony.

Dwaj badacze, Bernhard Gadermaier i Martin Wilkening z Instytutu Technologii Chemicznych Materiałów na Uniwersytecie Technicznym w Grazu, udało się teraz przekształcić czysty („nie-litowany”) LTO o pierwotnym składzie Li4Ti5O12 w znacznie lepszy przewodnik jonowy zupełnie inną metodą: Para twierdzi, że celowo stworzyła „dziury” w sieci krystalicznej, tak zwane braki tlenowe. „Gdy pojedyncze atomy tlenu są usuwane z sieci krystalicznej, powstają te puste miejsca, które uwalniają ścieżkę migracji jonów, która do tej pory była zablokowana. Ta ścieżka dyfuzji jest już zaprogramowana w materiale dzięki strukturze LTO, ale zostaje aktywowana dopiero przez strukturę defektów”, wyjaśnia Wilkening. Wyniki badań eksperymentalnych zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym „Science Advances”.

Aby stworzyć defekty w LTO, badacze podgrzali litu-titanat w atmosferze ubogiej w tlen do 300 stopni Celsjusza. „Dzięki temu delikatnemu podgrzewaniu pojedyncze atomy tlenu są usuwane z sieci krystalicznej” – kontynuuje Wilkening. „Powstające anioniczne pustki w sieci krystalicznej mają bezpośredni wpływ na możliwości ruchu kationów litu, co przekształca pierwotnie słaby przewodnik jonowy w znacznie lepszy. Na przykładzie LTO szczególnie wyraźnie widać ogromny wpływ struktur defektowych na makroskopową funkcję materiału.”

Złożone potwierdzenie eksperymentalne

Szybkie przewodnictwo jonowe badacze mogli eksperymentalnie udowodnić poprzez połączenie spektroskopii przewodnictwa z spektroskopią rezonansu jądrowego (NMR). Bezpośrednie eksperymentalne potwierdzenie nowo aktywowanej ścieżki dyfuzji atomowej dostarczyły pomiarów NMR.