(Phys.org)—Forskare i Center for Nanoscale Materials NanoBio Interfaces and Theory &Modeling-grupper, tillsammans med forskare från University of Chicago, hittat en integrerad experimentell och beräkningsmetod som visar en litiumjonkompositionsberoende stabilitet av vakansberikad kubisk TiO ₂ anod utsatt för höga tryck i GPa-området. En unik atomistisk skala svarsmekanism hittades i vilken katjoninterkalering inducerar anmärkningsvärd stabilitet hos defekta material under applicerad stress. Dessa fynd kan potentiellt gynna optimeringen av batterielektroder samtidigt som de visar att kubiska material som innehåller högt katjoniska vakanser bättre kan hantera elektrodspänningar, vilket leder till förbättrad långsiktig stabilitet för litiumjonbatteridrift.

Batterielektroder upplever stora atomära omarrangemang och hög lokal stress under interkalering-avinterkaleringsprocessen. Den teoretiskt förutspådda vakansfyllningsmekanismen antyder att den förbättrade stabiliteten hos kubisk TiO ₂ elektroder är en följd av en tryckinitierad ordning på de platser som utsätts för den högsta lokala påfrestningen. Förbättrad strukturell stabilitet visade sig härröra från en "vakansfyllningsmekanism" i vilken ett applicerat tryck driver interstitiellt litiumjoner till vakansplatser i oxidinsidan.

Genom att använda CNM:s expertis inom design av nanoarkitekturerade energimaterial i samband med simuleringar av molekylär dynamik, förutom synkrotronmätningar vid den avancerade fotonkällan, metastabila material etablerades som en plattform för att skapa självmonterande och självförbättrande batterier som bevarar överlägsen kapacitet och kraft under långvarig cykling. Elektroder som naturligt väljer och optimerar sin struktur med upprepad cykling kan uppnå teoretisk prestanda. Elektroniskt sammankopplad nanoporositet möjliggör fullt deltagande av varje elektrodatom för att uppnå teoretisk kapacitet, medan de korta diffusionslängderna av transporterande joner (litium, natrium, eller magnesium) möjliggör exceptionellt snabb laddning.

Det kristallina-till-amorfa fasövergångstrycket ökar monotont med litiumkoncentrationen (från ~17,5 GPa för delithierad till ingen fasövergång för fullständigt litierad kubisk titandioxid upp till 60 GPa). Den associerade förbättringen av strukturell stabilitet antas härröra från en vakansfyllningsmekanism i vilken ett applicerat tryck driver interstitiellt litiumjoner till vakansställen i oxidinsidan. Resultaten tyder på att även om det är förvånansvärt stabilt, en c-TiO ₂ nanorörselektroden är mest sårbar i urladdat tillstånd (delithierad). Ökad litiumkoncentration ger upphov till en vakansfyllningsmekanism under det applicerade trycket som förbättrar den strukturella stabiliteten hos kubisk TiO ₂ .

I batterielektroder, stora atomära omarrangemang och hög spänning förväntas vid den högsta litiumkoncentrationsgradienten. Den observerade vakansfyllningsmekanismen tyder på att c-TiOs stabilitet förbättras ₂ elektroder är en följd av en tryckinitierad ordning på de platser som utsätts för den högsta lokala påfrestningen. Dessa fynd kan gynna optimeringen av batterielektroder och visa att högt innehåll av katjoniska vakanser i kubiska material hjälper till att ta emot elektrodspänningar och förbättrar deras långsiktiga stabilitet för litiumjonbatteridrift.