Výzkum lithium-iontové bateri
Zatímco grafit lze bez problémů nabíjet a vybíjet během stovek nebo dokonce tisíců cyklů, množství lithia, které dokáže uložit (kapacita), nestačí pro energeticky náročné aplikace. Například elektrická auta mohou cestovat jen do takové vzdálenosti, která je určena kapacitou baterie s uhlíkovou anodou. Kromě toho nelze grafit nabíjet nebo vybíjet velmi vysokou rychlostí (výkonem). Kvůli těmto omezením vědci hledají alternativní anodové materiály.
Jedním ze slibných anodových materiálů je lithium titaničitan (LTO), který obsahuje lithium, titan a kyslík. Kromě své schopnosti vysoké rychlosti nabíjení má LTO dobrou stabilitu při cyklování a udržuje ve své struktuře prázdná místa pro uložení lithiových iontů.
Zkoumáním LTO se zabývá Amy Marschilok, docentka na katedře chemie a pomocná členka fakulty na katedře materiálových věd a chemického inženýrství na univerzitě Stony Brook - kde také slouží jako zástupce ředitele Centra pro vlastnosti přenosu v Mesoscale (m2M) — a vedoucí divize skladování energie a vědecký pracovník v interdisciplinárním oddělení vědy v Brookhavenské národní laboratoři amerického ministerstva energetiky (DOE).“ Amy Marschilok se ve svém nejnovějším úsilí zabývá zvýšením kapacity LTO o 12 procent přidáním chloru. Proces, který může vpravit chlór do LTO se nazývá „doping“.
„Řízený doping může změnit elektronické a strukturní vlastnosti materiálu“, vysvětlil Stanislaus Wong, významný profesor na katedře chemie na univerzitě Stony Brook, kde je také hlavním řešitelem odpovědným za studentský tým „V mé skupině se zajímáme o vývoj a použití chemie ke směrování příznivých korelací struktury a vlastností. U LTO může začlenění atomů dopantu zvýšit elektrickou vodivost a rozšířit krystalovou mřížku, takže kanál pro migraci iontů lithia se rozšíří. Vědci zkoušeli mnoho různých typů dopantů, ale chlór nebyl nikdy pořádně prozkoumán“, řekl Wong.
K výrobě LTO „dopovaného chlórem“ použil tým metodu založenou na řešení zvaném hydrotermální syntéza. Při hydrotermální syntéze vědci přidají roztok obsahující relevantní prekurzory (materiály, které reagují za vzniku požadovaného produktu ve vodě) a umístí směs do uzavřené nádoby a po určitou dobu ji vystaví relativně mírným teplotám a tlakům. V tomto případě vědci vybrali titanový prekurzor na kapalné bázi místo pevné titanové fólie, která byla dříve používána při těchto typech reakcí. Po hydrotermální syntéze čistého LTO a chlorem dopovaného LTO po dobu 36 hodin provedli další kroky chemického zpracování k izolaci požadovaných materiálů. Tým skenovací elektronové mikroskopie (SEM) v zařízení pro elektronovou mikroskopii v Brookhavenově centru pro funkční nanomateriály (CFN) odhalil, že oba typy vzorků byly charakterizovány nanostrukturami ve tvaru květu. Tento výsledek naznačoval, že chemická úprava nezničila původní strukturu.
„Náš nový přístup k syntéze umožňuje rychlejší, jednotnější a efektivnější reakci na výrobu těchto 3D nanovláken ve velkém měřítku,“ uvedl Wong. „Tento relativně jedinečný druh architektury má velkou plochu a květinové „okvětní lístky“ se radiálně šíří z centrálního jádra. Tato struktura poskytuje lithiovým iontům více cest při prostupu materiálem.
Změnou koncentrace chloru, lithia a prekurzoru, čistotou prekurzoru a reakční dobou, našli vědci optimální podmínky pro výrobu vysoce krystalických nanovláken.
Na CFN tým provedl několik charakterizačních experimentů a použil rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS) k potvrzení chemického složení a odvození chemických oxidačních stavů.
„Data XPS jsou v této studii klíčová, protože dokazují, že titan - který v LTO běžně existuje jako 4+, což znamená, že mu byly odstraněny čtyři elektrony - je změněn na 3+,“ řekl Xiao Tong, vědecký pracovník CFN Interface Science a Catalysis Group. „Tato změna chemického stavu je významná, protože materiál se transformuje z izolátoru na polovodič, což zvyšuje elektrickou vodivost a mobilitu lithiových-iontů.“
S optimalizovanými vzorky provedli vědci několik elektrochemických testů. Zjistili, že chlorem dopovaný LTO má větší využitelnou kapacitu za podmínek vysoké rychlosti, kdy se baterie vybije za 30 minut. Toto zlepšení se projevovalo i po více než 100 cyklech nabíjení / vybíjení.
„Chlorem dotovaný LTO je nejen lepší na počátku, ale také zůstává stabilní v průběhu času,“ řekl Marschilok.
Abychom pochopili, proč k tomuto zlepšení došlo, obrátil se tým na výpočetní teorii, modelování strukturálních a elektronických změn, které vznikají při dopingu chlorem.
„Když provádíme základní vědecké experimenty, musíme porozumět tomu, co pozorujeme, abychom viděli, jak materiál funguje a získat informace o tom, jak zlepšit výkonnost materiálu,“ vysvětlil Ping Liu, chemik z Brookhaven's Chemistry Division, který vedl teoretické studie. „Teorie je velmi efektivní způsob, jak dosáhnout takového mechanického porozumění, zejména u komplexních materiálů, jako je LTO.“
Při výpočtu energeticky nejstabilnější geometrie LTO s dopingovým chlórem, tým zjistil, že chlor nejraději nahrazuje místa, kde je ve struktuře LTO kyslík.
„Tato substituce vrhá do systému jeden elektron, což způsobí elektronické přerozdělení,“ řekl Liu. „Způsobuje to snížení oxidačního čísla titanu, který interaguje přímo s chlórem, z 4+ na 3+, což je v souladu s experimentálními výsledky XPS.
„Zlepšení elektronické i iontové vodivosti pomocí jednoho procesu je často náročné,“ uvedl Marschilok. „Ale kromě zlepšení výkonu jakéhokoli jednoho materiálu, ve společnosti m2M vždy přemýšlíme o navrhování modelových studií, které mohou vědecké komunitě ukázat způsoby, jak komplexně vyvíjet nové materiály pro baterie. Kombinace syntézy materiálů, pokročilá charakterizace materiálu a výpočetní teorie, stejně jako spolupráce mezi Stony Brook a Brookhaven, jsou silné stránky práce m2M.“
