Badacze z TU Graz zwiększają przewodność tytanianu litu poprzez tworzenie „dziur” w sieci krystalicznej

Naukowcy z TU Graz odkryli sposób na znaczne zwiększenie przewodnictwa jonowego titanianu litu, co może otworzyć nowe możliwości dla materiałów anodowych w bateriach. Poprzez celowe wprowadzenie defektów do struktury sieci krystalicznej materiału „aktywowali wcześniej zablokowaną ścieżkę” dla jonów litu.

Oprócz grafitu, titanian litu (LTO) jest powszechnie używanym materiałem anodowym w bateriach. Jednak w stanie nierobionym słabo przewodzi jony litu. Jego wysokie przewodnictwo jonowe rozwija się dopiero podczas ładowania baterii, gdy dodatkowe jony litu i elektrony są wstawiane do materiału.

Naukowcy Bernhard Gadermaier i Martin Wilkening z Instytutu Technologii Chemicznych Materiałów na TU Graz udało się teraz za pomocą zupełnie nowego podejścia przekształcić czysty („nielitygowany”) LTO o pierwotnej składzie Li4Ti5O12 w znacznie lepszy przewodnik jonowy. Udało im się to poprzez celowe tworzenie „dziur” w sieci krystalicznej, znanych jako wolne miejsca tlenowe. „Gdy pojedyncze atomy tlenu są usuwane z sieci krystalicznej, te wolne miejsca otwierają ścieżkę migracji dla jonów, która wcześniej była zablokowana. Ta ścieżka dyfuzji jest już z góry określona przez strukturę LTO, ale zostaje aktywowana dopiero dzięki strukturze defektów” – wyjaśnia Wilkening. Wyniki badań eksperymentalnych zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.

Aby stworzyć wolne miejsca w LTO, badacze podgrzewali tytanian litu w atmosferze o niskiej zawartości tlenu do 300 stopni Celsjusza. „To delikatne podgrzewanie usuwa pojedyncze atomy tlenu z sieci krystalicznej” – kontynuuje Wilkening. „Powstałe w ten sposób anioniczne wolne miejsca w sieci krystalicznej bezpośrednio wpływają na ruchliwość kationów litu i przekształcają pierwotnie słaby przewodnik jonowy w znacznie lepszy. Przykład LTO wyraźnie pokazuje ogromny wpływ struktur defektów atomowych na makroskopową funkcję materiału.”

Złożona weryfikacja eksperymentalna

Badacze eksperymentalnie udowodnili szybkie przewodzenie jonów, wykorzystując połączenie spektroskopii przewodnictwa elektrycznego z spektroskopią rezonansu magnetycznego jądrowego (NMR). Pomiary NMR dostarczyły bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na nowo aktywowaną ścieżkę dyfuzji atomów.

„Nasze badanie eksperymentalne w imponujący sposób pokazuje, że właściwości ciała stałego nie są determinowane wyłącznie przez jego skład chemiczny, lecz są również w znacznym stopniu wpływane przez lokalną strukturę defektów oraz historię termiczną”, podsumowuje Martin Wilkening. „Pokazujemy, jak ruchliwość małych kationów litu można precyzyjnie kontrolować przy użyciu klasycznych koncepcji chemii defektów anionowych”.

To badanie stanowi również doskonały przykład tego, jak badania podstawowe motywowane ciekawością mogą prowadzić do nowych funkcjonalności materiałów”, zauważają badacze. „Celowa kontrola przewodnictwa jonowego poprzez chemię defektów otwiera długoterminowe perspektywy dla komponentów jonotronicznych, memristywnych i neuromorficznych w mikro- i nanoelektronice”.