(Phys.org)—Ricercatori nei gruppi NanoBio Interfaces e Theory &Modeling del Center for Nanoscale Materials, insieme ai ricercatori dell'Università di Chicago, ha trovato un approccio sperimentale e computazionale integrato che dimostra una stabilità dipendente dalla composizione degli ioni di litio del TiO cubico arricchito di posto vacante ₂ anodo sottoposto ad alte pressioni nell'intervallo GPa. È stato trovato un meccanismo unico di risposta su scala atomica in cui l'intercalazione cationica induce una notevole stabilità dei materiali difettosi sotto stress applicato. Questi risultati possono potenzialmente avvantaggiare l'ottimizzazione degli elettrodi della batteria, dimostrando al contempo che i materiali cubici contenenti un'elevata vacanza cationica possono adattarsi meglio allo stress degli elettrodi, portando a una migliore stabilità a lungo termine per il funzionamento della batteria agli ioni di litio.

Gli elettrodi della batteria subiscono grandi riarrangiamenti atomici e un elevato stress localizzato durante il processo di intercalazione-deintercalazione. Il meccanismo di riempimento dei posti vacanti teoricamente previsto suggerisce che una maggiore stabilità del TiO . cubico ₂ elettrodi è una conseguenza di un ordinamento avviato dalla pressione nei siti soggetti alle maggiori sollecitazioni locali. È stato scoperto che una maggiore stabilità strutturale deriva da un "meccanismo di riempimento dei posti vuoti" in cui una pressione applicata guida gli ioni di litio interstiziali verso i siti vuoti all'interno dell'ossido.

Utilizzando l'esperienza di CNM nella progettazione di materiali energetici nano-architettati in combinazione con simulazioni di dinamica molecolare, oltre alle misurazioni del sincrotrone presso l'Advanced Photon Source, i materiali metastabili sono stati stabiliti come piattaforma per la creazione di batterie autoassemblanti e auto-miglioranti che preservano capacità e potenza superiori su cicli prolungati. Gli elettrodi che scelgono e ottimizzano naturalmente la loro struttura con cicli ripetuti possono raggiungere prestazioni teoriche. La nanoporosità interconnessa elettronicamente consente la piena partecipazione di ogni atomo di elettrodo al raggiungimento della capacità teorica, mentre le brevi lunghezze di diffusione degli ioni trasportatori (litio, sodio, o magnesio) consente una ricarica eccezionalmente veloce.

La pressione di transizione di fase cristallina-amorfa aumenta monotonicamente con la concentrazione di litio (da ~ 17,5 GPa per delithiated a nessuna transizione di fase per titania cubica completamente litiata fino a 60 GPa). Si ipotizza che il miglioramento associato nella stabilità strutturale derivi da un meccanismo di riempimento dei posti vuoti in cui una pressione applicata guida gli ioni di litio interstiziali verso i siti vuoti all'interno dell'ossido. I risultati suggeriscono che, sebbene sorprendentemente stabile, un c-TiO ₂ l'elettrodo a nanotubi è più vulnerabile allo stato di scarica (delithia). L'aumento della concentrazione di litio dà origine a un meccanismo di riempimento del vuoto sotto la pressione applicata che migliora la stabilità strutturale del TiO . cubico ₂ .

Negli elettrodi della batteria, sono attesi grandi riarrangiamenti atomici e un elevato stress al più alto gradiente di concentrazione di litio. Il meccanismo di riempimento dei posti vacanti osservato suggerisce che una maggiore stabilità di c-TiO ₂ elettrodi è una conseguenza di un ordinamento avviato dalla pressione nei siti soggetti alle maggiori sollecitazioni locali. Questi risultati potrebbero avvantaggiare l'ottimizzazione degli elettrodi della batteria e mostrare che l'elevato contenuto di vacanza cationica nei materiali cubici aiuta ad assorbire lo stress degli elettrodi e migliora la loro stabilità a lungo termine per il funzionamento delle batterie agli ioni di litio.