Sammensætningsjustering af strukturel stabilitet via mekanisme til udfyldning af ledige pladser

(Phys.org)—Forskere i Center for Nanoscale Materials' NanoBio Interfaces og Theory &Modeling grupper, sammen med forskere fra University of Chicago, fundet en integreret eksperimentel og beregningsmæssig tilgang, der demonstrerer en lithium-ion-sammensætningsafhængig stabilitet af ledighedsberiget kubisk TiO ₂ anode udsat for høje tryk i GPa-området. En unik atomistisk skala-responsmekanisme blev fundet, hvor kation-interkalation inducerer bemærkelsesværdig stabilitet af defekte materialer under påført stress. Disse resultater kan potentielt gavne optimeringen af ​​batterielektroder, mens de demonstrerer, at kubiske materialer, der indeholder høje kationiske tomrum, bedre kan imødekomme elektrodespænding, fører til forbedret langsigtet stabilitet for lithium-ion batteridrift.

Batterielektroder oplever store atomare omarrangeringer og høj lokal belastning under interkalation-deinterkalationsprocessen. Den teoretisk forudsagte mekanisme til udfyldning af ledige pladser antyder, at den forbedrede stabilitet af kubisk TiO ₂ elektroder er en konsekvens af en tryk-initieret bestilling på de steder, der er udsat for den højeste lokale belastning. Forbedret strukturel stabilitet viste sig at opstå fra en "fripladsfyldningsmekanisme", hvor et påført tryk driver interstitielle lithiumioner til ledige steder i oxidets indre.

Ved at bruge CNMs ekspertise i design af nanoarkitekturerede energimaterialer i forbindelse med simuleringer af molekylær dynamik, ud over synkrotronmålinger ved den avancerede fotonkilde, metastabile materialer blev etableret som en platform til at skabe selvsamlende og selvforbedrende batterier, der bevarer overlegen kapacitet og kraft under længere tids cykling. Elektroder, der naturligt vælger og optimerer deres struktur med gentagen cykling, kan opnå teoretisk ydeevne. Elektronisk sammenkoblet nanoporøsitet muliggør fuld deltagelse af hvert elektrodeatom i opnåelse af teoretisk kapacitet, mens de korte diffusionslængder af transporterende ioner (lithium, natrium, eller magnesium) muliggør usædvanlig hurtig opladning.

Det krystallinske-til-amorfe faseovergangstryk stiger monotont med lithiumkoncentrationen (fra ~17,5 GPa for delithieret til ingen faseovergang for fuldt lithieret kubisk titaniumdioxid op til 60 GPa). Den tilknyttede forbedring af strukturel stabilitet postuleres at opstå fra en mekanisme til udfyldning af tomrum, hvor et påført tryk driver interstitielle lithiumioner til ledige steder i oxidets indre. Resultaterne tyder på, at selvom det er overraskende stabilt, en c-TiO ₂ nanorørelektroden er mest sårbar i den afladede tilstand (delithieret). Øget lithiumkoncentration giver anledning til en ledig fyldningsmekanisme under det påførte tryk, der forbedrer den strukturelle stabilitet af kubisk TiO ₂ .

I batterielektroder, store atomare omlejringer og høj stress forventes ved den højeste lithiumkoncentrationsgradient. Den observerede mekanisme til udfyldning af ledige stillinger antyder, at c-TiO's øgede stabilitet ₂ elektroder er en konsekvens af en tryk-initieret bestilling på de steder, der er udsat for den højeste lokale belastning. Disse resultater kan gavne optimeringen af ​​batterielektroder og viser, at højt kationisk ledighedsindhold i kubiske materialer hjælper med at imødekomme elektrodespænding og forbedrer deres langsigtede stabilitet for lithium-ion batteridrift.