Pesquisadores da TU Graz “perfuram” a rede cristalina do titânato de lítio
Cientistas da TU Graz encontraram uma maneira de aumentar significativamente a condutividade iônica do titânio de lítio. Em experimentos, eles conseguiram demonstrar que defeitos criados intencionalmente na estrutura cristalina “ativam um caminho de transporte para íons de lítio que antes estava bloqueado”. No entanto, ainda se trata de pesquisa básica clássica.
O titânio de lítio (LTO) é, juntamente com o grafite, um material de ânodo frequentemente utilizado em baterias. Porém, em seu estado não tratado, ele conduz mal os íons de lítio. Sua alta condutividade iônica só é desenvolvida durante a carga da bateria, quando íons de lítio e elétrons adicionais são armazenados no material.
Os dois pesquisadores Bernhard Gadermaier e Martin Wilkening, do Instituto de Tecnologia Química de Materiais da TU Graz, conseguiram agora transformar o LTO puro (“não-litioado”) com a composição original Li4Ti5O12, por um caminho completamente diferente, em um condutor iônico significativamente melhor: o duo afirma ter criado intencionalmente “buracos” na estrutura cristalina, conhecidos como defeitos de oxigênio. “Quando átomos individuais de oxigênio são removidos da estrutura cristalina, surgem essas lacunas que liberam um caminho de migração até então bloqueado para os íons. Esse caminho de difusão já está presente no material devido à estrutura do LTO, mas só é ativado pela estrutura defeituosa”, explica Wilkening. Os resultados do estudo experimental foram publicados na revista especializada “Science Advances”.
Para criar as lacunas no LTO, os pesquisadores aqueceram o titânio-lítio em uma atmosfera pobre em oxigênio a 300 graus Celsius. “Por meio desse aquecimento controlado, átomos individuais de oxigênio são removidos da rede cristalina”, continua Wilkening. “As lacunas aniónicas que se formam na rede cristalina afetam diretamente as possibilidades de movimento dos cátions de lítio, transformando um material originalmente ruim em um condutor iônico significativamente melhor. O exemplo do LTO mostra de maneira particularmente clara a enorme influência das estruturas defeituosas atômicas na função macroscópica de um material.”
Verificação experimental complexa
Os pesquisadores conseguiram comprovar experimentalmente a rápida condução iônica por meio da combinação de espectroscopia de condutividade e espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). As medições de RMN forneceram a prova experimental direta do novo caminho de difusão ativo nos átomos.
“Nosso estudo experimental mostra de forma impressionante que as propriedades de um sólido não são determinadas apenas por sua composição química, mas também, em grande medida, por sua estrutura local de defeitos e seu histórico térmico”, resume Martin Wilkening. “Demonstramos como é possível controlar de forma direcionada a mobilidade dos pequenos cátions de lítio com os conceitos clássicos da química de defeitos aniónicos.”
“Este trabalho é, ao mesmo tempo, um exemplo exemplar de como a pesquisa básica sem finalidade prática gera novas funções em materiais”, afirmam os pesquisadores. E ainda: “O controle direcionado da condutividade iônica por meio de química de defeitos abre perspectivas de longo prazo para componentes ionotrónicos, memristivos e neuromórficos na microeletrônica e nanoeletrônica.”