Без кислорода быстрее: открыт необычный способ повысить эффективность литиевых аккумуляторов

Специалисты из Технического университета Граца (Австрия) Бернхард Гадермайер и Мартин Вилькенинг разработали метод ускорения диффузии ионов лития в структуре титаната лития (Li₄Ti₅O₁₂). Создание контролируемых точечных дефектов открывает перспективы для существенного улучшения характеристик долговечных аккумуляторов с поддержкой сверхбыстрой зарядки. Данное соединение рассматривается материаловедами как надежная и безопасная альтернатива традиционному графиту в анодных узлах.

Ключевыми достоинствами титаната лития выступают повышенная эксплуатационная надежность, способность работать при отрицательных температурах, устойчивость к высоким токам и солидный циклический ресурс. Материал практически не подвержен объемным деформациям при интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития («нулевая усадка»), что минимизирует механическую деградацию электрода со временем.

Однако титанату лития присущ серьезный недостаток: в исходном разряженном состоянии он обладает слабой собственной ионной проводимостью. Как правило, этот показатель существенно возрастает лишь непосредственно во время зарядки, когда в структуру начинают поступать электроны и носители заряда.

Австрийские исследователи предложили оригинальное решение: термическую обработку исходного сырья при температуре около 300 °C в условиях пониженного парциального давления кислорода. В результате такого отжига часть атомов кислорода покидает кристаллическую структуру, формируя сеть кислородных вакансий.

Образовавшиеся пустоты оказали позитивный эффект: они активировали скрытый, ранее заблокированный маршрут перемещения ионов лития. За счет этого изначальный диэлектрик превратился в эффективный ионный проводник.

При этом фундаментальная архитектура кристалла осталась неизменной. Это критически важный фактор, поскольку увеличение подвижности ионов не имеет практического смысла, если оно ведет к потере главного преимущества титаната лития — высокой структурной стабильности.

Чтобы подтвердить природу открытого явления, ученые задействовали два независимых метода: спектроскопия проводимости помогла измерить макроскопический перенос заряда, а спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволила зафиксировать траектории движения отдельных ионов лития на субатомном уровне.

Полученные данные подтвердили, что именно появление вакансий кислорода запускает дополнительный канал диффузии. Иными словами, физико-химические свойства материала удалось кардинально улучшить без изменения его базового элементного состава, исключительно за счет управляемой инженерии дефектов.

В настоящее время работа находится в фазе фундаментальных изысканий. Следующим шагом для исследователей станет проверка возможностей масштабирования предложенного техпроцесса и комплексные испытания модифицированного титаната лития в составе полноценных аккумуляторных ячеек.

Источник: iXBT