НОВОСТИ

Наноцветы титаната лития (Брукхейвенская национальная лаборатория)

Принцип работы литиевых батарей заключается в том, что во время зарядки ионы лития перемещаются между положительным электродом (катодом) и отрицательным электродом (анодом); Во время разрядки ионы лития перемещаются в противоположном направлении. В настоящее время литиевые батареи, используемые в смартфонах, ноутбуках и электромобилях, обычно используют графитовые аноды. Во время зарядки ионы лития будут вставлены в графитовый анод; При использовании батареи ионы лития будут удалены из батареи.

Хотя графит может выдерживать сотни или даже тысячи циклов заряда и разряда, он не может хранить достаточно емкости для энергоемких приложений. Например, запас хода электромобилей недостаточно велик. Кроме того, графит не может заряжаться и разряжаться с высокой скоростью (мощностью). Поэтому ученые ищут альтернативные анодные материалы.

Титанат лития (LTO) — перспективный анодный материал, состоящий из лития, титана и кислорода. Помимо способности заряжаться и разряжаться с высокой скоростью, LTO также обладает хорошей циклической стабильностью и достаточным пространством для размещения ионов лития (с большой емкостью). Однако плохая проводимость LTO может привести к медленной скорости диффузии ионов лития в материале.

По сообщениям зарубежных СМИ, Эми Маршилок, внештатный преподаватель и доцент кафедры химии на кафедре материаловедения и химической инженерии Университета Стоуни-Брук, заявила, что доступная емкость чистого LTO умеренная, но он не может быстро передавать электроэнергию. Эми Маршилок также является заместителем директора Центра мезомасштабных транспортных свойств, а также менеджером отдела хранения энергии и ученым в Брукхейвенской национальной лаборатории, междисциплинарном отделе Министерства энергетики США. Она также заявила, что материалы для высокоскоростных аккумуляторов очень привлекательны для таких приложений, как электромобили, портативные электроинструменты и системы аварийного питания, которые требуют быстрого накопления энергии в течение нескольких минут.

Маршилок также является членом группы Брукхейвенской национальной лаборатории в Стоуни-Крик, которая сотрудничает в области исследований LTO с 2014 года. В недавнем исследовании группа добавила хлор в LTO с помощью процесса легирования, тем самым увеличив его емкость на 12%.

Станислаус Вонг, выдающийся профессор кафедры химии в Университете Шиси и важный исследователь в студенческой исследовательской группе, заявил, что контролируемые процессы легирования могут изменять электронные и структурные свойства материалов. В моей команде мы заинтересованы в использовании химических знаний для руководства разработкой благоприятных корреляций свойств структуры. Что касается LTO, добавление легированных атомов может улучшить его проводимость, расширить его решетку и расширить канал транспорта ионов лития. Ученые протестировали много различных типов легирующих примесей, но не изучали хлор в достаточной степени.

Для производства LTO, легированного хлором, команда использовала метод раствора, называемый гидротермальным синтезом. В процессе гидротермального синтеза ученые добавляли раствор, содержащий соответствующий прекурсор (реакционный материал, используемый для получения желаемого продукта), в воду, помещали смесь в герметичный контейнер и оставляли ее при относительно умеренной температуре и давлении на некоторое время. В этом случае, чтобы расширить экспериментальный масштаб, ученые выбрали жидкие прекурсоры титана вместо твердой титановой фольги, используемой в предыдущих реакциях. После гидротермального синтеза чистого LTO и LTO, легированного хлором, в течение 36 часов ученые использовали дополнительные этапы химической обработки для разделения требуемых материалов. Команда также провела исследования изображений с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) в электронно-микроскопическом центре Центра функциональных наноматериалов (CFN) в Брукхейвенской национальной лаборатории и обнаружила, что оба образца имели наноструктуры в форме цветка, что указывает на то, что процесс химической обработки не повредил исходную структуру материалов.

Вонг заявил, что наш новый метод синтеза способствует быстрым, однородным и эффективным реакциям, позволяя производить такие 3D-наноцветы в больших масштабах. Эта уникальная архитектура имеет большую площадь поверхности с лепестками, расходящимися от центра наружу, что обеспечивает несколько путей для проникновения ионов лития в материал.

Изменяя концентрации хлора, лития и прекурсоров, чистоту прекурсоров и время реакции, ученые нашли оптимальные условия для создания высококристаллических наноматериалов. Ученые провели несколько электрохимических испытаний с использованием оптимизированных образцов и обнаружили, что при высокой разрядке батареи в течение 30 минут легированный хлором LTO имел большую доступную емкость, и эта производительность сохранялась после более чем 100 циклов зарядки и разрядки.

Чтобы понять, почему производительность может быть улучшена, команда использовала вычислительную теорию для моделирования структурных и электронных изменений, вызванных легированием хлором. При расчете наиболее стабильной геометрической структуры LTO, легированного хлором, команда обнаружила, что хлор предпочитает замещать позицию кислорода в структуре LTO.

Далее команда будет исследовать, как форма 3D-наноцветов влияет на транспортировку ионов лития. Кроме того, они также изучают альтернативные материалы для анодов и катодов атомного уровня для улучшения транспортировки ионов лития.