Espectros de difracción de rayos X de sincrotrón in situ de nanotubos de c-TiO2 descargados presurizados en una celda de yunque de diamante junto con transiciones estructurales propuestas bajo presión para material delitiado (cargado) y completamente litiado (descargado) a diferentes presiones.
(Phys.org) —Investigadores del Centro de interfaces NanoBio de materiales a nanoescala y grupos de teoría y modelado, junto con investigadores de la Universidad de Chicago, encontró un enfoque experimental y computacional integrado que demuestra una estabilidad dependiente de la composición de iones de litio del TiO cúbico enriquecido por vacantes 2 ánodo sometido a altas presiones en el rango de GPa. Se encontró un mecanismo de respuesta de escala atomística único en el que la intercalación de cationes induce una estabilidad notable de materiales defectuosos bajo tensión aplicada. Estos hallazgos pueden beneficiar potencialmente la optimización de los electrodos de la batería al mismo tiempo que demuestran que los materiales cúbicos con alto contenido de vacantes catiónicas pueden adaptarse mejor a la tensión de los electrodos. que conduce a una estabilidad mejorada a largo plazo para el funcionamiento de la batería de iones de litio.
Los electrodos de la batería experimentan grandes reordenamientos atómicos y un alto estrés localizado durante el proceso de intercalación-desintercalación. El mecanismo de llenado de vacantes teóricamente predicho sugiere que la estabilidad mejorada del TiO cúbico 2 electrodos es una consecuencia de un pedido iniciado por presión en los sitios sometidos a la mayor tensión local. Se descubrió que la estabilidad estructural mejorada surge de un "mecanismo de llenado de vacantes" en el que una presión aplicada impulsa iones de litio intersticiales a los sitios de vacantes en el interior del óxido.
Esferas rojas:O; esferas verdes:Li; esferas blancas:Ti.
Utilizando la experiencia de CNM en el diseño de materiales energéticos de nanoarquitectura junto con simulaciones de dinámica molecular, además de las mediciones de sincrotrón en la fuente de fotones avanzada, Los materiales metaestables se establecieron como una plataforma para crear baterías autoensamblables y auto-mejorables que preservan una capacidad y potencia superiores durante ciclos prolongados. Los electrodos que eligen y optimizan naturalmente su estructura con ciclos repetidos pueden lograr un rendimiento teórico. La nanoporosidad interconectada electrónicamente permite la participación total de cada átomo de electrodo para lograr la capacidad teórica, mientras que las cortas longitudes de difusión de los iones transportadores (litio, sodio, o magnesio) permite una carga excepcionalmente rápida.
La presión de transición de fase cristalina a amorfa aumenta monótonamente con la concentración de litio (de ~ 17,5 GPa para transición de fase sin delitio a sin fase para titania cúbica totalmente litiada hasta 60 GPa). Se postula que la mejora asociada en la estabilidad estructural surge de un mecanismo de llenado de vacantes en el que una presión aplicada impulsa iones de litio intersticiales a los lugares vacantes en el interior del óxido. Los hallazgos sugieren que, aunque sorprendentemente estable, a c-TiO 2 El electrodo de nanotubos es más vulnerable en el estado descargado (delitiado). El aumento de la concentración de litio da lugar a un mecanismo de llenado de vacantes bajo la presión aplicada que mejora la estabilidad estructural del TiO cúbico 2 .
En electrodos de batería, Se esperan grandes reordenamientos atómicos y alto estrés en el gradiente de concentración de litio más alto. El mecanismo de llenado de vacantes observado sugiere que la estabilidad mejorada de c-TiO 2 electrodos es una consecuencia de un pedido iniciado por presión en los sitios sometidos a la mayor tensión local. Estos hallazgos podrían beneficiar la optimización de los electrodos de la batería y mostrar que el alto contenido de vacantes catiónicas en materiales cúbicos ayuda a acomodar la tensión del electrodo y mejora su estabilidad a largo plazo para el funcionamiento de la batería de iones de litio.
