«Вытащили» кислород — ускорили литий: найден необычный способ улучшить литиевые батареи
Австрийские ученые нашли способ значительно улучшить движение ионов лития в титанате лития с помощью намеренно созданных дефектов кристаллической решетки. Потенциально это может улучшить характеристики материала, используемого в долговечных и быстрозаряжаемых литий-ионных аккумуляторах. Разработку представили химики Технического университета Граца Бернхард Гадермайер и Мартин Вилькенинг. Ученые работали с Li₄Ti₅O₁₂ — титанатом лития, который применяется в качестве альтернативы графиту в анодах аккумуляторов.
Исследователи повысили проводимость анодов с помощью структурных дефектов
Титанат лития ценится за безопасность, большой ресурс, возможность быстрой зарядки и стабильную работу при низких температурах. Кроме того, его кристаллическая решетка практически не меняется в объеме при внедрении и извлечении лития. Благодаря этому электрод значительно меньше страдает от механической деградации в процессе эксплуатации.
Однако у титаната лития есть недостаток: в исходном незаряженном состоянии материал обладает относительно низкой ионной проводимостью. Обычно она заметно увеличивается уже в процессе зарядки, когда в структуру поступают дополнительные ионы лития и электроны.
Австрийские ученые предложили принципиально другой подход. Исследователи нагрели материал примерно до 300 °C в условиях пониженного содержания кислорода. В результате из кристаллической решетки удалялась небольшая часть атомов кислорода, оставляя после себя так называемые кислородные вакансии.
Эти микроскопические дефекты оказались полезными. Свободные участки в кристаллической структуре активировали уже существующий, но в обычных условиях практически недоступный путь перемещения ионов лития. В результате изначально слабый ионный проводник стал проводить литий значительно эффективнее.
При этом основная кристаллическая архитектура сохраняется. Это особенно важно, поскольку простое увеличение проводимости не имело бы большого практического смысла, если бы одновременно исчезало главное преимущество титаната лития — высокая структурная стабильность и долговечность.
Чтобы подтвердить эффект, ученые использовали два независимых метода. Спектроскопия проводимости позволила оценить движение заряда в материале на макроскопическом уровне, а спектроскопия ядерного магнитного резонанса дала возможность проследить движение отдельных ионов лития на атомном масштабе.
Результаты показали, что именно удаление атомов кислорода и образование вакансий активирует дополнительный канал диффузии лития. Иными словами, свойства материала удалось изменить не за счет нового химического состава, а благодаря контролируемому созданию дефектов.
Разработка пока относится к фундаментальным исследованиям и не означает появления новых серийных аккумуляторов в ближайшее время. Ученым предстоит определить, насколько эффективно метод масштабируется и как модифицированный титанат лития ведет себя в полноценных аккумуляторных ячейках.