Amorfa titanoxid nanorör, när litium sätts in i ett litiumjonbatteri, själv skapa den högsta kapaciteten kubisk litium titanoxid struktur
(Phys.org) – Jakten på ren och grön energi under 2000-talet kräver en bättre och effektivare batteriteknik. Nyckeln till att uppnå det målet kan ligga i att designa och bygga batterier, inte uppifrån och ner, men nerifrån och upp — med början på nanoskala. Ett team av forskare från Argonne National Laboratory och University of Chicago har tagit ett sådant tillvägagångssätt genom att utveckla titandioxid (TiO) 2 ) elektroder som faktiskt kan förbättra sin egen elektrokemiska prestanda när de används.
Försöksledarna syntetiserade TiO 2 nanorör och satte ihop dem till Li-ion myntceller, cyklade dem sedan galvanostatiskt mellan 0,8 V och 2,0 V. Elektrodprover från cellerna undersöktes sedan med röntgendiffraktion (XRD) vid GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D insättningsanordningens strållinje och röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) vid X -ray Science Division 20-BM böjningsmagnetstrållinje, båda vid det amerikanska energidepartementets avancerade fotonkälla i Argonne.
Förutom syntesen av TiO 2 nanorör, svepelektronmikroskopi och simuleringar av molekylär dynamik utfördes också vid Argonne Center for Nanoscale Materials. Alla dessa tekniker gav ett fönster till inkluderingen och avlägsnandet av joner (interkalerings-/deinterkaleringsprocess) som inträffade inom TiO 2 nanorör.
Använder den amorfa nanoskala TiO 2 nanorör som en anod i litiumhalvceller, forskarna noterade en konsekvent linjärt minskande spänning under den första urladdningen, följt av en "puckel" vid ~1,1 V vs Li/Li+. Detta indikerade en irreversibel fasövergång i nanorörsmaterialet.
Vid efterföljande cykler, Li+-joner interkalerade/deinterkalerade reversibelt i TiO 2 nanorör med kapaciteter långt utöver de som observeras i andra TiO 2 sorter som anatas.
Teamet drog slutsatsen att detta beror på en annan struktur eller interkaleringsmekanism som uppstår som ett resultat av fasövergången. Jämfört med anatas, den fastransformerade TiO 2 nanorörsanod visade kraftigt förbättrad Li-jondiffusion, speciellt vid höga cykelhastigheter. TiO 2 nanorörsanoden visade både mycket högre energi och högre effekt jämfört med dess strukturella TiO 2 kusiner, som visade en minskning i kapacitet i liknande experiment med snabb cykling.
XRD- och XAS-studierna, tillsammans med beräkningssimuleringar, visade hur anodstrukturen förändras vid cykling. Över ~1,1 V, inga förändringar observerades med cykling, men under 1,1 V, en mycket symmetrisk, tätt packad kubisk syrekristallstruktur bildad, med Ti och Li slumpmässigt fördelade mellan oktaedriska platser.
Intressant, den typ av kortdistansordning som skulle förväntas i ett sådant fullt ordnat oktaedriskt system utvecklas tydligen inte i detta fall. Dock, detta påverkar inte termodynamisk stabilitet, och den kubiska strukturen förblev både mycket stabil och reversibel efter fasövergången.
Det verkar som om interkalering/deinterkalering av Li+-joner initierar en ny struktur som tillåter ännu bättre interkalering av Li+-joner. Eftersom alla lager i den nya strukturen behåller metallatomer även i laddat tillstånd, den kubiska fasen av materialet bevaras. Molekyldynamiksimuleringar av Li-jondiffusion i andra typer av TiO 2 strukturer visade att den mest effektiva diffusionen och den lägsta aktiveringsbarriären (0,257 eV) sker i den amorfa kubiska Li 2 Ti 2 O 4 form, jämfört med andra TiO 2 sorter som, på nytt, anatas.
Den amorfa till kubiska TiO 2 nanorörsanod testades i en fullcellskonfiguration med en 5-V spinellkatod (LiNi0.5Mn1.5O4). Vid upprepad cykling, cellen visade en medelspänning på 2,8 V och förbättrad kapacitet.
En annan distinkt fördel med TiO 2 nanorörsanoden är att eftersom den inte lider av kapacitetsförsämring, det undviker Li-plätering vid grafitanod och elektrodöverpotentialer som skapar möjliga säkerhetsrisker i andra typer av Li-ion-batterier.
Genom att skapa ett elektrodmaterial i nanoskala som faktiskt kan ordna sig till en mer effektiv och kraftfull elektrokemisk struktur när det utsätts för upprepad urladdning och laddning, forskargruppen skapade en ny väg för design och utveckling av högre kapacitet, högre kraft, säkrare batterier. I vår värld av smarta telefoner och elbilar, betydelsen av ett sådant framsteg kan knappast överskattas.
