(Phys.org)—Onderzoekers in de groepen NanoBio Interfaces en Theory &Modelling van het Center for Nanoscale Materials, samen met onderzoekers van de Universiteit van Chicago, vond een geïntegreerde experimentele en computationele benadering die een lithium-ion samenstellingsafhankelijke stabiliteit van vacature-verrijkte kubieke TiO aantoont ₂ anode onderworpen aan hoge drukken in het GPa-bereik. Er werd een uniek responsmechanisme op atomaire schaal gevonden waarbij kation-intercalatie een opmerkelijke stabiliteit van defecte materialen induceert onder uitgeoefende spanning. Deze bevindingen kunnen mogelijk de optimalisatie van batterij-elektroden ten goede komen, terwijl ze aantonen dat kubische materialen met een hoge kationische leegte beter kunnen omgaan met elektrodespanning, wat leidt tot een verbeterde stabiliteit op lange termijn voor het gebruik van lithium-ionbatterijen.

Batterij-elektroden ervaren grote atomaire herschikkingen en hoge gelokaliseerde stress tijdens het intercalatie-de-intercalatieproces. Het theoretisch voorspelde mechanisme voor het vullen van vacatures suggereert dat verbeterde stabiliteit van kubieke TiO ₂ elektroden is een gevolg van een door druk geïnitieerde ordening op de plaatsen die onderhevig zijn aan de hoogste lokale spanning. Er werd gevonden dat verbeterde structurele stabiliteit voortkwam uit een "vacature-opvulmechanisme" waarbij een uitgeoefende druk interstitiële lithiumionen naar vacaturesites in het oxide-interieur drijft.

Gebruikmakend van CNM's expertise in het ontwerp van nano-gearchitectureerde energiematerialen in combinatie met moleculaire dynamica-simulaties, naast synchrotronmetingen bij de Advanced Photon Source, metastabiele materialen werden opgericht als een platform voor het maken van zelfassemblerende en zelfverbeterende batterijen die superieure capaciteit en kracht behouden tijdens langdurig fietsen. Elektroden die van nature hun structuur kiezen en optimaliseren door herhaaldelijk te fietsen, kunnen theoretische prestaties bereiken. Elektronisch onderling verbonden nanoporositeit maakt volledige deelname van elk elektrode-atoom mogelijk bij het bereiken van theoretische capaciteit, terwijl de korte diffusielengtes van transporterende ionen (lithium, natrium, of magnesium) maakt uitzonderlijk snel opladen mogelijk.

De kristallijne-naar-amorfe faseovergangsdruk neemt monotoon toe met lithiumconcentratie (van ~ 17,5 GPa voor gedelithieerd tot geen faseovergang voor volledig gelithieerd kubieke titania tot 60 GPa). De bijbehorende verbetering van de structurele stabiliteit wordt verondersteld voort te komen uit een mechanisme voor het vullen van vacatures waarbij een uitgeoefende druk interstitiële lithiumionen naar lege plaatsen in het oxide-interieur drijft. De bevindingen suggereren dat, hoewel verrassend stabiel, een c-TiO ₂ nanobuiselektrode is het meest kwetsbaar in de ontladen toestand (gedelithieerd). Verhoogde lithiumconcentratie leidt tot een mechanisme voor het vullen van vacatures onder de uitgeoefende druk dat de structurele stabiliteit van kubieke TiO . verbetert ₂ .

In batterij-elektroden, grote atomaire herschikkingen en hoge spanningen worden verwacht bij de hoogste lithiumconcentratiegradiënt. Het waargenomen mechanisme voor het vullen van vacatures suggereert dat verbeterde stabiliteit van c-TiO ₂ elektroden is een gevolg van een door druk geïnitieerde ordening op de plaatsen die onderhevig zijn aan de hoogste lokale spanning. Deze bevindingen kunnen de optimalisatie van batterij-elektroden ten goede komen en laten zien dat een hoog gehalte aan kationische leegte in kubische materialen helpt bij het opvangen van elektrodespanning en hun stabiliteit op lange termijn voor lithium-ionbatterijen verbetert.