Дослідники з TU Graz „проколюють“ кристалічну решітку літій-титанату
Дослідники з TU Graz знайшли спосіб суттєво підвищити іонну провідність літій-титанату. У експериментах вони змогли показати, що цілеспрямовано створені дефекти в кристалічній ґратці „активують раніше заблокований шлях для транспортування іонів літію“. Однак наразі це все ще є класичними фундаментальними дослідженнями.
Літій-титанат (LTO) є одним із поширених матеріалів анодів для акумуляторів поруч із графітом. Проте у нез обробленому стані він погано проводить іони літію. Його висока іонна провідність розвивається лише під час заряджання акумулятора, коли до матеріалу додаються додаткові іони літію та електрони.
Двом дослідникам Бернхарду Гадермаєру та Мартіну Вілкенгу з Інституту хімічної технології матеріалів Технічного університету Граца нарешті вдалося зовсім іншим способом перетворити чистий („нелітійований“) LTO з початковим складом Li4Ti5O12 на значно кращий іонний провідник: ця пара стверджує, що навмисно створила „дірки“ в кристалічній ґратці, так звані дефекти кисню. „Коли окремі атоми кисню видаляються з кристалічної ґратки, утворюються ці порожнини, які звільняють шлях для руху іонів, який до цього був заблокований. Цей шлях дифузії вже передбачений у структурі матеріалу завдяки самій структурі LTO, але лише завдяки дефектній структурі він активується“, — пояснює Вілкенг. Результати експериментального дослідження були опубліковані у фаховому журналі „Science Advances“.
Щоб створити дефекти в LTO, дослідники нагріли літій-титанат у атмосфері з низьким вмістом кисню до 300 градусів Цельсія. „Завдяки такому обережному нагріванню з кристалічної решітки видаляються окремі атоми кисню“, — продовжує Вілкенінг. „Утворені аніонні дефекти в кристалічній решітці мають прямий вплив на можливості руху літій-катіонів, перетворюючи спочатку поганий іонний провідник на значно кращий. На прикладі LTO особливо чітко проявляється величезний вплив атомних дефектних структур на макроскопічні властивості матеріалу.“
Складне експериментальне підтвердження
Швидке іонне проведення дослідники змогли експериментально підтвердити, поєднавши спектроскопію провідності та спектроскопію ядерного магнітного резонансу (НМР). Пряме експериментальне підтвердження новоактивованого шляху атомної дифузії надали саме вимірювання НМР.
„Наше експериментальне дослідження переконливо показує, що властивості твердого тіла визначаються не лише його хімічним складом, а й у значній мірі його локальною структурою дефектів та термічною історією“, — підсумовує Мартін Вілкенг. „Ми демонструємо, як за допомогою класичних концепцій аніонної хімії дефектів можна цілеспрямовано керувати рухливістю малих літієвих катіонів.“
„Ця робота є водночас класичним прикладом того, як безцільні фундаментальні дослідження створюють нові функції матеріалів“, — кажуть дослідники. І ще: „Цільове керування провідністю іонів за допомогою хімії дефектів відкриває довгострокові перспективи для іонотронних, мемристивних та нейроморфних елементів у мікро- та наноелектроніці“.