Pesquisadores da TU Graz aumentam a condutividade do titânato de lítio por meio de “perfuração de buracos” na rede cristalina
Pesquisadores da TU Graz encontraram uma maneira de aumentar significativamente a condutividade iônica do titânio de lítio, abrindo potencialmente novas possibilidades para o material do ânodo de baterias. Ao introduzir intencionalmente defeitos na estrutura da rede cristalina do material, eles “ativaram um caminho anteriormente bloqueado” para os íons de lítio.
Junto com o grafite, o titânio de lítio (LTO) é um material de ânodo amplamente utilizado em baterias. No entanto, em seu estado não tratado, ele conduz mal os íons de lítio. Sua alta condutividade iônica só se desenvolve durante a carga da bateria, quando íons de lítio e elétrons adicionais são intercalados no material.
Os pesquisadores Bernhard Gadermaier e Martin Wilkening, do Instituto de Tecnologia Química de Materiais da TU Graz, conseguiram agora transformar o LTO puro (‘não litiado’) com sua composição original Li4Ti5O12 em um condutor iônico significativamente melhor, utilizando uma abordagem completamente nova. O duo alcançou isso criando deliberadamente ‘buracos’ na rede cristalina, conhecidos como vacâncias de oxigênio. “Quando átomos individuais de oxigênio são removidos da rede cristalina, essas vacâncias abrem um caminho de migração para os íons que antes estava bloqueado. Esse caminho de difusão já é definido pela estrutura do LTO, mas só é ativado pela estrutura defeituosa”, explica Wilkening. Os resultados do estudo experimental foram publicados na revista Science Advances.
Para criar as vagas no LTO, os pesquisadores aqueceram o titânio de lítio em uma atmosfera com baixo teor de oxigênio a 300 graus Celsius. “Esse aquecimento suave remove átomos individuais de oxigênio da rede cristalina”, continua Wilkening. “As vagas aniónicas resultantes na rede cristalina influenciam diretamente a mobilidade dos cátions de lítio e transformam um condutor iônico originalmente fraco em um significativamente melhor. O exemplo do LTO demonstra claramente o enorme impacto das estruturas de defeitos atômicos na função macroscópica de um material.”
Validação experimental complexa
Os pesquisadores demonstraram experimentalmente a rápida condução iônica usando uma combinação de espectroscopia de condutividade e espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). As medições de RMN forneceram evidências experimentais diretas do novo caminho de difusão atômica ativado.
“Nosso estudo experimental mostra de forma impressionante que as propriedades de um sólido não são determinadas exclusivamente por sua composição química, mas também são significativamente influenciadas por sua estrutura de defeitos locais e histórico térmico”, resume Martin Wilkening. “Demonstramos como a mobilidade de pequenos cátions de lítio pode ser controlada com precisão usando conceitos clássicos da química de defeitos aniónicos.”
O trabalho também serve como um exemplo exemplar de como a pesquisa fundamental motivada pela curiosidade pode levar a novas funcionalidades em materiais”, observam os pesquisadores. “O controle direcionado da condutividade iônica por meio da química de defeitos abre perspectivas de longo prazo para componentes ionotrópicos, memristivos e neuromórficos em microeletrônica e nanoeletrônica.”