Ученые нашли уникальный способ улучшения литиевых батарей с помощью кислорода

Исследователи повысили проводимость анодов с помощью структурных дефектов

Австрийские ученые разработали метод для значительного улучшения перемещения ионов лития в титанате лития, используя намеренно созданные дефекты в кристаллической решетке. Это может потенциально повысить характеристики материала, который применяется в долговечных и быстрозаряжаемых литий-ионных аккумуляторах. Исследование представили химики Технического университета Граца Бернхард Гадермайер и Мартин Вилькенинг. Они работали с Li₄Ti₅O₁₂ — титанатом лития, который служит альтернативой графиту в анодах аккумуляторов.

Титанат лития ценится за свою безопасность, большой срок службы, возможность быстрой зарядки и стабильность при низких температурах. Кроме того, его кристаллическая решетка практически не изменяет объем при внедрении и извлечении лития, что значительно уменьшает механическую деградацию электрода в процессе эксплуатации.

Тем не менее, у титаната лития существует недостаток: в начальном незаряженном состоянии материал обладает сравнительно низкой ионной проводимостью. Обычно проводимость значительно увеличивается уже в процессе зарядки, когда в структуру поступают дополнительные ионы лития и электроны.

Австрийские ученые предложили совершенно новый подход. Исследователи нагрели материал примерно до 300 °C в условиях низкого содержания кислорода. В результате из кристаллической решетки удалялась небольшая часть атомов кислорода, оставляя так называемые кислородные вакансии.

Эти микроскопические дефекты оказались полезными. Свободные участки в кристаллической структуре активировали уже имеющийся, но в обычных условиях почти недоступный путь перемещения ионов лития. В результате первоначально слабый ионный проводник стал значительно более эффективным в проведении лития.

При этом основная кристаллическая архитектура сохраняется. Это имеет особое значение, поскольку простое увеличение проводимости не имело бы большого практического смысла, если бы одновременно утрачивается основное преимущество титаната лития — высокая структурная стабильность и долговечность.

Чтобы подтвердить эффект, ученые применили два независимых метода. Спектроскопия проводимости позволила оценить движение заряда в материале на макроскопическом уровне, а спектроскопия ядерного магнитного резонанса предоставила возможность проследить движение отдельных ионов лития на атомном уровне.

Результаты показали, что именно удаление атомов кислорода и образование вакансий активируют дополнительный канал диффузии лития. Иными словами, свойства материала удалось изменить не за счет нового химического состава, а благодаря контролируемому созданию дефектов.

Данная разработка пока относится к фундаментальным исследованиям и не предполагает появления новых серийных аккумуляторов в ближайшее время. Ученым необходимо определить, насколько эффективно этот метод может быть масштабирован и как модифицированный титанат лития ведет себя в полноценный аккумуляторных ячейках.