Дослідники з TU Graz підвищують провідність літій-титанату шляхом створення «дірок» у кристалічній ґратці
Дослідники з TU Graz знайшли спосіб суттєво підвищити іонну провідність літій-титанату, що може відкрити нові можливості для матеріалів анодів батарей. Шляхом навмисного створення дефектів у кристалічній структурі матеріалу вони „активували раніше заблокований шлях“ для іонів літію.
Окрім графіту, літій-титанат (LTO) є широко використовуваним матеріалом аноду в батареях. Однак у своєму неробленим стані він погано проводить іони літію. Його висока іонна провідність розвивається лише під час заряджання батареї, коли додаткові іони літію та електрони вставляються у матеріал.
Дослідники Бернхард Гадермаєр та Мартін Вілкенгінг з Інституту хімічної технології матеріалів Технічного університету Граца тепер змогли за допомогою абсолютно нового підходу перетворити чистий („нелітійований“) LTO з його початковим складом Li4Ti5O12 на значно кращий іонний провідник. Вони досягли цього, навмисно створюючи „дірки“ в кристалічній решітці, відомі як кисневі вакансії. „Коли окремі атоми кисню видаляються з кристалічної решітки, ці вакансії відкривають шлях для міграції іонів, який раніше був заблокований. Цей шлях дифузії вже передбачений структурою LTO, але активується лише через наявність дефектів“, — пояснює Вілкенгінг. Результати експериментального дослідження були опубліковані в журналі Science Advances.
Щоб створити вакансії в LTO, дослідники нагріли літій-титанат у атмосфері з низьким вмістом кисню до 300 градусів Цельсія. „Це помірне нагрівання видаляє окремі атоми кисню з кристалічної решітки“, — продовжує Вілкенг. „Утворені внаслідок цього аніонні вакансії в кристалічній решітці безпосередньо впливають на рухливість літійських катіонів та перетворюють спочатку поганий іонний провідник на значно кращий. Приклад LTO чітко демонструє величезний вплив структур атомних дефектів на макроскопічні властивості матеріалу.“
Складна експериментальна перевірка
Дослідники експериментально продемонстрували швидку іонну провідність, використовуючи поєднання спектроскопії провідності та спектроскопії ядерного магнітного резонансу (НМР). Вимірювання НМР надали прямі експериментальні докази новоактивованого шляху атомної дифузії.
«Наше експериментальне дослідження переконливо показує, що властивості твердого тіла визначаються не лише його хімічним складом, але також суттєво залежать від його локальної структури дефектів та термічної історії», — підсумовує Мартін Вілкенг. «Ми демонструємо, як можна точно контролювати рухливість малих літієвих катіонів за допомогою класичних концепцій аніонної хімії дефектів».
Дослідження також є чудовим прикладом того, як фундаментальні дослідження, спрямовані на вирішення певних запитань, можуть призвести до появи нових функціоналів матеріалів, — зазначають дослідники. «Цільовий контроль іонної провідності за допомогою хімії дефектів відкриває перспективи для розвитку іонотронних, мемристивних та нейроморфних компонентів у мікро- та наноелектроніці».