Nanotubi di ossido di titanio amorfo, all'inserimento del litio in una batteria agli ioni di litio, auto-creare la struttura cubica di ossido di litio e titanio a più alta capacità
(Phys.org)—La ricerca di energia pulita e verde nel 21° secolo richiede una tecnologia delle batterie migliore e più efficiente. La chiave per raggiungere questo obiettivo può risiedere nel progettare e costruire batterie non dall'alto verso il basso, ma dal basso verso l'alto, a partire dalla nanoscala. Un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory e dell'Università di Chicago ha adottato tale approccio sviluppando il biossido di titanio (TiO 2 ) elettrodi che possono effettivamente migliorare le proprie prestazioni elettrochimiche man mano che vengono utilizzati.
Gli sperimentatori hanno sintetizzato TiO 2 nanotubi e li ha assemblati in celle a bottone agli ioni di litio, quindi li ha ciclizzati galvanostaticamente tra 0,8 V e 2,0 V. I campioni di elettrodi dalle cellule sono stati quindi esaminati utilizzando la diffrazione dei raggi X (XRD) presso la linea di luce del dispositivo di inserimento GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D e la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) presso l'X -ray Science Division 20-BM linea di luce del magnete piegante, entrambi presso l'Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ad Argonne.
Oltre alla sintesi del TiO 2 nanotubi, Anche l'imaging al microscopio elettronico a scansione e le simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite presso l'Argonne Center for Nanoscale Materials. Tutte queste tecniche hanno fornito una finestra sull'inclusione e la rimozione di ioni (processo di intercalazione/deintercalazione) che si verificano all'interno del TiO 2 nanotubi.
Usando il TiO . amorfo su scala nanometrica 2 nanotubi come anodo nelle semicelle al litio, i ricercatori hanno notato una tensione decrescente costantemente lineare durante la prima scarica, seguito da una "gobba" a ~1,1 V rispetto a Li/Li+. Ciò indicava una transizione di fase irreversibile nel materiale dei nanotubi.
Nei cicli successivi, Ioni Li+ intercalati/deintercalati reversibilmente nel TiO 2 nanotubi con capacità ben oltre quelle osservate in altri TiO 2 varietà come l'anatasio.
Il team ha concluso che ciò è dovuto a una diversa struttura o meccanismo di intercalazione che si verifica a seguito della transizione di fase. Rispetto all'anatasio, il TiO . trasformato in fase 2 l'anodo di nanotubi ha mostrato una diffusione degli ioni di litio notevolmente migliorata, soprattutto ad alti tassi di ciclismo. Il TiO 2 l'anodo di nanotubi ha dimostrato sia un'energia molto più elevata che una potenza maggiore rispetto al suo TiO . strutturale 2 cugini, che ha mostrato una diminuzione della capacità in esperimenti simili utilizzando cicli veloci.
Gli studi XRD e XAS, insieme a simulazioni computazionali, mostrato come cambia la struttura dell'anodo durante il ciclo. Sopra ~ 1,1 V, non sono stati osservati cambiamenti con il ciclismo, ma al di sotto di 1,1 V, un altamente simmetrico, formata una struttura cristallina di ossigeno cubico ravvicinato, con Ti e Li distribuiti casualmente tra i siti ottaedrici.
interessante, il tipo di ordine a corto raggio che ci si aspetterebbe in un tale sistema ottaedrico completamente ordinato apparentemente non si sviluppa in questo caso. Però, questo non influisce sulla stabilità termodinamica, e la struttura cubica è rimasta sia altamente stabile che reversibile dopo la transizione di fase.
Sembra che l'intercalazione/deintercalazione degli ioni Li+ avvii una nuova struttura che consente un'intercalazione ancora migliore degli ioni Li+. Poiché tutti gli strati della nuova struttura trattengono gli atomi di metallo anche allo stato carico, la fase cubica del materiale è preservata. Simulazioni di dinamica molecolare della diffusione di ioni di litio in altri tipi di TiO 2 strutture hanno mostrato che la diffusione più efficiente e la barriera di attivazione più bassa (0,257 eV) si verifica nel cubo amorfo Li 2 Ti 2 oh 4 modulo, rispetto ad altri TiO 2 varietà come, ancora, anatasio.
Il TiO . da amorfo a cubico 2 l'anodo di nanotubi è stato testato in una configurazione a celle complete con un catodo di spinello 5-V (LiNi0.5Mn1.5O4). Su cicli ripetuti, la cella mostrava una tensione media di 2,8 V e migliorava la capacità.
Un altro netto vantaggio del TiO 2 l'anodo di nanotubi è che poiché non subisce il degrado della capacità, evita la placcatura di litio sull'anodo di grafite e sovratensioni degli elettrodi che creano possibili rischi per la sicurezza in altri tipi di batterie agli ioni di litio.
Creando un materiale per elettrodi su scala nanometrica che può effettivamente ordinarsi in una struttura elettrochimica più efficiente e potente poiché è soggetto a scarica e carica ripetute, il team di ricerca ha forgiato un nuovo percorso per la progettazione e lo sviluppo di capacità superiori, potenza superiore, batterie più sicure. Nel nostro mondo di tecnologia per smartphone e auto elettriche, l'importanza di un simile progresso difficilmente può essere sopravvalutata.
