Presentazione di una nuova interazione orbitale molecolare che stabilizza i materiali catodici per le batterie agli ioni di litio.
Un grande team internazionale guidato da scienziati dell'Istituto per i materiali superconduttori e elettronici dell'Università di Wollongong ha verificato che l'introduzione di nuove interazioni orbitali molecolari può migliorare la stabilità strutturale dei materiali catodici per le batterie agli ioni di litio.
La produzione di materiali catodici migliori per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni è una grande sfida per l'industria automobilistica elettrica.
Nella ricerca pubblicata su Angewandte Chemie, il primo autore dott. Gemeng Liang, il prof. Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang and Associates, hanno utilizzato più capacità ad Ansto e altre tecniche per fornire prove che drogano un promettente materiale catodico, spinello Lini 0,5 mn 1,5 o 4 ( LNMO ), con germanio rafforza significativamente l'interazione orbitale 4 S-2 P tra ossigeno e cationi metallici.
Dr Liang.
L'orbitale 4 S -2 P è relativamente raro, ma abbiamo trovato un composto in letteratura in cui il germanio ha uno stato di valenza di + 3, consentendo una configurazione elettronica ([AR] 3 D 10 4 S 1 ) in cui 4 s Transition Gli elettroni orbitali metallici sono disponibili per interagire con elettroni non accoppiati nell'orbitale di ossigeno 2 P , producendo l'orbitale ibrido 4 S -2 P.
L'orbitale 4 S-2 P crea stabilità strutturale nel materiale LNMO , come determinato usando gli esperimenti di sincrotrone e neutroni presso il sincrotrone australiano di Ansto e il Centro australiano per lo scattering dei neutroni, nonché altri metodi.
Il team ha utilizzato la diffrazione di polvere a raggi X di neutroni e (a base di laboratorio), nonché microscopia, per confermare la posizione del germanio drogato nei siti cristallografici di 16 C e 16 D della struttura LNMO con simmetria del gruppo spaziale FD3¯m.
Poiché lo stato di valenza dei droganti di germanio era importante per indagare, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X di laboratorio (XPS) e le misurazioni di assorbimento a raggi X (XAS) sono state eseguite nel sincrotrone australiano.
Hanno confermato che i droganti di germanio hanno uno stato di valenza medio di +3,56, con germanio nei siti 16 C e 16D che sono rispettivamente +3 e +4. I risultati dei calcoli della teoria funzionale della densità (DFT) hanno supportato questa osservazione.
I ricercatori hanno valutato le prestazioni elettrochimiche delle batterie contenenti LNMO e lo hanno confrontato con quelle contenenti LNMO con ibridazione orbitale 4 S -2 P (nota come 4S -LNMO). Queste valutazioni hanno scoperto che il doping con il 2% di germanio ha contribuito alla stabilità strutturale superiore, nonché alla ridotta polarizzazione della tensione della batteria, alla migliore densità di energia e all'uscita ad alta tensione.
[Volevamo comprendere la cinetica di diffusione del litio nei due materiali e abbiamo scoperto che dopo che il germanio è stato introdotto nel sistema, la diffusione del litio nel materiale è più veloce, consentendo una capacità di carica più rapida ", ha affermato il dott. Liang.
A seguito del test delle prestazioni, il dott. Liang ha utilizzato la spettroscopia di assorbimento a raggi X quasi a bordo a base di syncrotron (NEXAFS) sulla linea di raggi X soft per informazioni più dettagliate sulle strutture elettroniche dei materiali attivi durante il ciclo.
I dati spettroscopici sulla tensione del circuito aperto della batteria hanno riscontrato un aumento significativo dell'intensità dei picchi del materiale 4S-LNMO nella posizione corrispondente alla ibridazione orbitale a 4 S -2 P che ha fornito un'ulteriore convalida della riuscita introduzione del romanzo 4 4 S -2 P Orbitale Interazione.
[Poiché possiamo vedere gli orbitali non riempiti, questi sono collegati in modo distinto ma complicato agli orbitali pieni, possiamo usarli per aiutare a caratterizzare meglio la chimica del sistema attraverso calcoli meccanici quantistici o rispetto a materiali simili ", ha affermato CO-Author Strument Scientist Dr Bruce Cowie.
I dati NEXAFS erano anche utili per valutare il comportamento del manganese nel materiale.
[Sappiamo che impedire al manganese di dissolversi nell'elettrolita e inibire la formazione di manganese +2 e +3 nella struttura aiuterà a prevenire il degrado strutturale ", ha affermato il dott. Liang.
I risultati NEXAFS hanno mostrato che c'era solo una quantità minore di Mn3+ e nessun Mn2+ notato nel 4S-LNMO, che aumenta ulteriormente la stabilità strutturale del materiale.
Negli esperimenti OPERANDO sulla linea di diffrazione di diffrazione di polvere al sincrotrone australiano ha esplorato il comportamento strutturale del materiale all'interno di una batteria durante il ciclo. Utilizzando questi dati, il team ha confermato la soppressione di una reazione a due fasi sfavorevole ad alta tensione operativa nel 4S-LNMO.
[L'ibridazione orbitale è un concetto piuttosto nuovo nella ricerca sulla batteria, ma è molto promettente per risolvere i problemi di prestazioni della batteria ", ha affermato il dott. Liang.
[Ancora meglio: questo approccio è estendibile ad altri materiali della batteria. "
Altri coautori di Ansto includevano la dott.ssa Anita D`angelo, la dott.ssa Bernt Johannessen, la dott.ssa Lars Thomsen e il prof. Vanessa Peterson.
Le istituzioni collaborative includevano l'Università di Adelaide , l'Università del Surrey (Regno Unito) e l'Industrial Technology Research Institute (Taiwan).
Il dott. Liang, che attualmente ricopre posizione presso l'Università di Adelaide, ha ricevuto un premio per la ricerca post -laurea presso l' Australian Institute of Nuclear Science and Engineerin G (Ainse).
Punti chiave
- L'introduzione di una nuova interazione orbitale molecolare ha migliorato la stabilità strutturale di un promettente materiale catodico per le batterie agli ioni di litio
- Il doping con germanio ha mostrato una stabilità strutturale superiore, nonché una ridotta polarizzazione della tensione della batteria, una migliore densità di energia e un'uscita ad alta tensione nel materiale
- Un team internazionale guidato da scienziati dell'Istituto per i materiali superconduttori e elettronici presso l'Università di Wollongong ha utilizzato più tecniche presso il Synchrotron australiano di Ansto e il Centro australiano per la dispersione dei neutroni per chiarire le interazioni orbitali molecolari
