Исследователи Технического университета Граца «прокалывают» кристаллическую решетку литиевого титаната
Исследователи из TU Graz нашли способ значительно повысить ионную проводимость литиевого титаната. В ходе экспериментов им удалось показать, что целенаправленно созданные дефекты в кристаллической решетке «активируют ранее заблокированный путь для транспорта ионов лития». Однако на данный момент это всё ещё классические фундаментальные исследования.
Литиевый титанат (LTO) наряду с графитом является широко используемым материалом анодов для аккумуляторов. Однако в необработанном состоянии он плохо проводит ионы лития. Высокая ионная проводимость у него развивается только во время зарядки аккумулятора, когда в материал поступают дополнительные ионы лития и электроны.
Двум исследователям из Института химической технологии материалов Технического университета Граца — Бернхарду Гадермайеру и Мартину Вилькенгу — теперь удалось совершенно иным способом превратить чистый («нелитийированный») LTO с первоначальным составом Li4Ti5O12 в гораздо лучший ионный проводник: по их словам, они намеренно создали «дыры» в кристаллической решетке, так называемые дефекты кислорода. «Когда из кристаллической решетки удаляются отдельные атомы кислорода, возникают эти пустоты, которые освобождают путь для движения ионов, ранее был заблокирован. Этот путь диффузии уже предопределен структурой LTO в материале, но активируется только благодаря структуре дефектов», — объясняет Вилькенг. Результаты экспериментального исследования были опубликованы в научном журнале „Science Advances“.
Чтобы создать дефекты в LTO, исследователи нагревали литиевый титанат в атмосфере с низким содержанием кислорода до 300 градусов Цельсия. «Благодаря такому мягкому нагреву из кристаллической решетки удаляются отдельные атомы кислорода», — продолжает Вилкенинг. «Образующиеся анионные дефекты в кристаллической решетке оказывают прямое влияние на возможности движения литиевых катионов, превращая изначально плохой ионный проводник в значительно лучший. На примере LTO особенно ярко проявляется огромное влияние атомных дефектных структур на макроскопические свойства материала».
Сложное экспериментальное подтверждение
Ученые смогли экспериментально доказать быструю ионную проводимость путем сочетания спектроскопии электропроводности и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (НМР). Прямое экспериментальное подтверждение новоактивированного пути атомной диффузии было получено благодаря измерениям с использованием НМР.
«Наше экспериментальное исследование убедительно показывает, что свойства твердого тела определяются не только его химическим составом, но и в значительной степени его локальной структурой дефектов и термической историей», — подводит итог Мартин Вилькенг. «Мы демонстрируем, как с помощью классических концепций анионной химии дефектов можно целенаправленно контролировать подвижность маленьких литиевых катионов».
«Эта работа является прекрасным примером того, как фундаментальные исследования без четкой практической цели способствуют появлению новых свойств материалов», — говорят исследователи. Кроме того: «Целенаправленное управление ионной проводимостью с помощью дефектной химии открывает долгосрочные перспективы для ионотронных, мемристивных и нейроморфных компонентов в области микро- и наноэлектроники».