Oksijen boşlukları pil malzemesinde hızlı lityum iyon aktarımının kilidini açar

Lityum titanat (LTO, Li₄Ti₅O₁₂), bozulmamış durumunda lityum iyonlarını zayıf bir iletken olan köklü bir pil malzemesidir. Malzemeye ilave lityum iyonları ve elektronlar dahil edildiğinde yalnızca şarj sırasında yüksek iyonik iletkenlik geliştirir.

TU Graz Kimya ve Malzeme Teknolojisi Enstitüsü’nden Bernhard Gadermaier ve Martin Wilkening tamamen farklı bir yaklaşım benimsediler: Saf, lityum içermeyen LTO’yu orijinal bileşimi Li’ye dönüştürdüler₄Ti₅O₁₂kristal kafesine kasıtlı olarak kusurlar ekleyerek önemli ölçüde daha iyi bir iyon iletkenine dönüştürür.

Spesifik olarak, bireysel oksijen atomlarını uzaklaştırdılar, böylece lityum iyonları için önceden bloke edilmiş bir göç yolunu aktive eden oksijen boşlukları yarattılar. Wilkening, “Bu difüzyon yolu LTO yapısında önceden oluşturulmuş ancak yalnızca kusurlu yapı tarafından etkinleştiriliyor” diye açıklıyor.

Deneysel çalışmanın sonuçları dergide yayınlandı Bilim Gelişmeleri.

Oksijen açısından fakir bir atmosferde ısıtma

Gadermaier ve Wilkening, LTO’daki kusurları yaratmak için lityum titanatı oksijen açısından fakir bir atmosferde 300 santigrat dereceye ısıttı. Wilkening, “Bu yumuşak ısıtma işlemi, kristal kafesten tek tek oksijen atomlarını uzaklaştırır” diye açıklıyor.

“Sonuçta ortaya çıkan oksijen boşlukları, lityum katyonlarının hareketliliği üzerinde doğrudan etkiye sahiptir ve başlangıçta zayıf bir iyon iletkenini önemli ölçüde daha iyi bir iletkene dönüştürür. LTO örneği, atomik ölçekte kusur yapılarının bir malzemenin makroskobik özellikleri üzerinde sahip olabileceği muazzam etkiyi açıkça göstermektedir.”

Kapsamlı deneysel doğrulama

Araştırmacılar, iletkenlik spektroskopisini nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisiyle birleştirerek deneysel olarak iyon aktarımının arttığını gösterdi. Özellikle NMR ölçümleri, yeni etkinleşen atomik ölçekte difüzyon yolunun doğrudan deneysel kanıtını sağladı.

Wilkening, “Deneysel çalışmamız, bir katının özelliklerinin yalnızca kimyasal bileşimi tarafından belirlenmediğini, aynı zamanda önemli ölçüde yerel kusur yapısı ve termal geçmişi tarafından da belirlendiğini gösteriyor” diyor. “Küçük lityum katyonlarının hareketliliğinin, anyonik kusur kimyasının klasik kavramlarını kullanarak nasıl hassas bir şekilde kontrol edilebileceğini gösteriyoruz.”

Yeni malzeme işlevlerinin ardındaki itici güç olarak temel araştırma

Wilkening, “Bu çalışma aynı zamanda bilimsel merakla yönlendirilen temel araştırmanın, hemen uygulanması düşünülmeden nasıl tamamen yeni maddi işlevlere yol açabileceğinin de önemli bir örneğidir” diyor. “İyonik iletkenliğin kusur kimyası yoluyla hedeflenen kontrolü, mikro ve nanoelektronikteki iyontronik, anımsatıcı ve nöromorfik cihazlar için gelecekteki umutları açıyor.”