Технический университет Граца разработал новый метод повышения проводимости литий-титаната в батареях

Исследователи из Технического университета Граца нашли способ значительно увеличить ионную проводимость литий-титаната, что потенциально открывает новые возможности для материала анода батареи. Преднамеренно вводя дефекты в кристаллическую решетку материала, они «активировали ранее заблокированный путь» для ионов лития.

Наряду с графитом, литий-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 в материал интеркалируются дополнительные ионы лития и электроны.

Исследователи Бернхард Гадермайер и Мартин Вилкенинг из Института химической технологии материалов Технического университета Граца теперь смогли превратить чистый («нелитиированный») LTO с его исходным составом Li4Ti5O12 в значительно лучший ионный проводник, используя совершенно новый подход. Дуэт добился этого, намеренно создавая «дыры» в кристаллической решетке, известные как кислородные вакансии. «Когда отдельные атомы кислорода удаляются из кристаллической решетки, эти вакансии открывают путь миграции ионов, который ранее был заблокирован. Этот диффузионный путь уже предопределен структурой LTO, но активируется только дефектной структурой», — объясняет Вилкенинг. Результаты экспериментального исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Для создания вакансий в LTO исследователи нагревали титанат лития в атмосфере с низким содержанием кислорода до 300 градусов Цельсия. «Этот мягкий нагрев удаляет отдельные атомы кислорода из кристаллической решетки», — продолжает Вилкенинг. «В результате анионные вакансии в кристаллической решетке напрямую влияют на подвижность катионов лития и превращают изначально плохой ионный проводник в значительно лучший. Пример LTO наглядно демонстрирует огромное влияние атомных дефектных структур на макроскопическую функцию материала».

Комплексная экспериментальная проверка

Исследователи экспериментально продемонстрировали быструю ионную проводимость, используя комбинацию спектроскопии проводимости и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Измерения ЯМР предоставили прямые экспериментальные доказательства вновь активированного пути атомной диффузии.

«Наше экспериментальное исследование впечатляюще показывает, что свойства твердого тела определяются не только его химическим составом, но и в значительной степени зависят от его локальной дефектной структуры и термической истории», — резюмирует Мартин Вилкенинг. «Мы демонстрируем, как подвижность малых катионов лития может точно контролироваться с использованием классических концепций химии анионных дефектов».

«Эта работа также служит ярким примером того, как фундаментальные исследования, движимые любопытством, могут привести к новым функциональным свойствам материалов», — отмечают исследователи. «Целенаправленный контроль ионной проводимости посредством химии дефектов открывает долгосрочные перспективы для ионотронных, мемристорных и нейроморфных компонентов в микро- и наноэлектронике».