Jonbyte är en kraftfull teknik för att omvandla ett material till ett annat när man syntetiserar nya produkter. I denna process vet forskarna vilka reaktanter som leder till vilka produkter, men hur processen fungerar – den exakta vägen för hur ett material kan omvandlas till ett annat – har förblivit svårfångad.
I en artikel publicerad i Nature Materials , ett team av UChicago Pritzker School of Molecular Engineering forskare kastar nytt ljus över detta mysterium. Vid forskning om litiumkatodmaterial för batterilagring har ett team från Liu Lab visat att det finns en allmän väg för litium- och natriumjonbyte i skiktade oxidkatodmaterial.
"Vi undersökte systematiskt jonbytesprocessen i litium och natrium", säger första författaren Yu Han, en Ph.D. kandidat på PME. "Jonbytesvägen vi avslöjade är ny."
Genom att hjälpa till att förklara hur jonbytesprocessen fungerar, öppnar detta dokument dörrarna för forskare som arbetar med metastabila material, vilket betyder material som för närvarande inte är i sin mest stabila möjliga form. Det kan också leda till nya innovationer inom atomeffektiv tillverkning, som använder mindre av de första prekursorerna och genererar mindre avfall vid syntetisering av material.
"Det kommer att bredda familjen av metastabila material som människor kan syntetisera", säger PME Asst. Prof. Chong Liu.
Även om de potentiella applikationerna resonerar genom materialsyntesen, började tidningen med att titta på produktionen av litium för batterikatoder. Eftersom klimatförändringarna driver världen bort från fossila bränslen behövs fler och bättre batterier för att lagra förnybar energi.
"Den gamla metoden för solid-state-syntes skulle vara att du väljer salt som innehåller de grundämnen du vill syntetisera. Sedan kombinerar du dem med rätt förhållande mellan varje element," sa Liu. "Då bränner du det."
Att bränna litiumprekursorerna vid 800–900 grader Celsius är dock effektivare när man arbetar med stabila material. I de fall då den metastabila formen hade intressanta egenskaper som teoretiskt kunde göra bra batterikatoder, pressade de höga temperaturerna materialen till ett nytt tillstånd som var mer stabilt, men som ofta saknade de intressanta egenskaperna.
Jonbyte är dock en syntesmetod som kan göras vid rumstemperatur eller vid relativt låga temperaturer på 100 grader Celsius.
"Jonbyte vid rumstemperatur ger oss tillgång till de metastabila skiktade oxiderna, som inte kunde syntetiseras direkt genom fast tillståndssyntes vid förhöjd temperatur men som kan vara utrustade med unika kemiska och fysikaliska egenskaper," sa Han.
Vid jonbyte förbränns inte salterna utan löses upp, vilket låter joner som har samma laddning ersätta oönskade joner. Det gör det möjligt för forskare att variera den kemiska sammansättningen samtidigt som de bibehåller ett fast ramverk - bara jonerna byts ut. Men även detta hade sina nackdelar. Processen har historiskt varit resurskrävande och bygger på försök och misstag.
Insikterna från PME-teamets uppsats kommer att göra det möjligt för forskare att förutsäga inte bara de slutliga sammansättningarna och faserna, utan också de mellanliggande tillstånden för att kartlägga de kinetiska vägarna.
PME-forskarna har redan omvandlat sina insikter om jonbytesvägarna till praktik och skapat vad Han kallade "ett mycket effektivt sätt" att syntetisera litium (Li) från natrium (Na) och tillbaka igen. Uppsatsen demonstrerar syntesen av ren fas natriumkoboltoxid från moderlitiumkoboltoxiden för första gången och även litiumkoboltoxid från natriumkoboltoxid vid 1-1000 Li-Na (molärt förhållande) med elektrokemisk assisterad jonbytesmetod genom att mildra kinetiska barriärer.
Teamet hoppas att framtida innovatörer kommer att gå längre och skapa mer effektiva, mindre slösaktiga processer för att syntetisera material som mänskligheten behöver för klimatförändringar eller andra pressande globala behov.
"I tillverkningen nu, betonar människor atomär effektivitet, vilket innebär att använda minsta mängd material för att komma till vad du vill," sa Liu.
Mer information: Yu Han et al, Att avslöja de prediktiva vägarna för utbyte av litium och natrium i skiktade oxider, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01862-8
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of Chicago
