Исследователи из TU Graz повышают проводимость литиевого титаната путем создания «дыр» в кристаллической решетке
Исследователи из TU Graz нашли способ значительно повысить ионную проводимость литиевого титаната, что может открыть новые возможности для использования этого материала в качестве анода батарей. Путем целенаправленного введения дефектов в кристаллическую решетку материала они «активировали ранее заблокированный путь» для ионов лития.
Помимо графита, литиевый титанат (LTO) является широко используемым материалом анода в батареях. Однако в необработанном состоянии он плохо проводит ионы лития. Его высокая ионная проводимость развивается только во время зарядки батареи, когда дополнительные ионы лития и электроны встраиваются в структуру материала.
Исследователи Бернхард Гадермаир и Мартин Вилькенг из Института химической технологии материалов Технического университета Граца смогли с помощью совершенно нового подхода преобразовать чистый («нелитиевый») LTO с его исходным составом Li4Ti5O12 в значительно лучший ионный проводник. Для этого они намеренно создали «дыры» в кристаллической решетке, известные как кислородные вакансии. «Когда отдельные атомы кислорода удаляются из кристаллической решетки, эти вакансии открывают путь для миграции ионов, который ранее был заблокирован. Этот путь диффузии уже предопределен структурой LTO, но активируется только из-за наличия дефектов», — объясняет Вилькенг. Результаты экспериментального исследования были опубликованы в журнале Science Advances.
Чтобы создать вакансии в LTO, исследователи нагревали литиевый титанат в условиях низкого содержания кислорода до 300 градусов Цельсия. «Такое мягкое нагревание позволяет удалить отдельные атомы кислорода из кристаллической решетки», — продолжает Вилкенинг. «Возникающие в результате анионные вакансии в кристаллической решетке напрямую влияют на подвижность литиевых катионов и превращают изначально плохой ионный проводник в значительно лучший. Пример LTO наглядно демонстрирует огромное влияние структур атомных дефектов на макроскопические свойства материала».
Сложная экспериментальная верификация
Исследователи экспериментально продемонстрировали быстрое ионное проводство с использованием комбинации спектроскопии электропроводности и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Измерения с использованием ЯМР предоставили прямые экспериментальные доказательства новоактивированного пути атомной диффузии.
«Наше экспериментальное исследование убедительно показывает, что свойства твердого тела определяются не только его химическим составом, но и в значительной степени зависят от его локальной структуры дефектов и термической истории», — подводит итог Мартин Вилькенг. «Мы демонстрируем, как можно точно контролировать подвижность мелких литиевых катионов с помощью классических концепций анионной дефектной химии».
Эта работа также служит ярким примером того, как фундаментальные исследования, основанные на любознательности, могут привести к появлению новых функций материалов, — отмечают исследователи. «Целенаправленный контроль ионной проводимости с помощью дефектной химии открывает перспективы для использования ионотронных, мемристивных и нейроморфных компонентов в микро- и наноэлектронике».