Wprowadzenie nowej interakcji molekularnej orbity, która stabilizuje materiały katodowe do akumulatorów litowo-jonowych.
Duży międzynarodowy zespół prowadzony przez naukowców z Instytutu Materiałów nadprzewodzących i elektronicznych na Uniwersytecie Wollongong zweryfikował, że wprowadzenie nowych interakcji orbitalnych molekularnych może poprawić stabilność strukturalną materiałów katodowych do akumulatorów litowo-jonowych.
Produkcja lepszych materiałów katodowych do wysokowydajnych akumulatorów litowo-jonowych jest głównym wyzwaniem dla przemysłu samochodowego.
W badaniach opublikowanych w Angewandte Chemie, pierwszy autor dr Gemeng Liang, prof. Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang i Associates, zastosował wiele możliwości w Ansto i innych technika 4 ( LNMO ), z germanem znacznie wzmacnia oddziaływanie orbitalne 4 S-2 P między kationami tlenu i metalowymi.
Dr Liang.
Orbital 4 s- 2 P jest stosunkowo rzadka, ale znaleźliśmy związek w literaturze, w którym german ma stan walencyjny + 3, umożliwiając konfigurację elektronów ([AR] 3 d 10 4 s 1 ), w której przejście 4 s przejście Metalowe elektrony orbitalne są dostępne do oddziaływania z niesparowanymi elektronami na orbicie tlenu 2 P , wytwarzając hybrydowy orbital 4 S- 2 P.
Orbital 4 S- 2 P tworzy stabilność strukturalną w materiale LNMO, jak określono za pomocą eksperymentów synchrotronowych i neutronowych w australijskim synchrotronie Ansto i australijskim centrum rozpraszania neutronów, a także innych metod.
Zespół zastosował dyfrakcję proszku rentgenowskiego i (laboratoryjną), a także mikroskopię, aby potwierdzić lokalizację domieszkowanego germanu w miejscach krystalograficznych 16 c i 16 D struktury LNMO z symetrią grupy kosmicznej FD3¯M.
Ponieważ stanowi walence domieszek germanu było ważne do zbadania, przeprowadzono laboratoryjne spektroskopia fotoelektronowa (XPS) i pomiary spektroskopii absorpcji rentgenowskiej (XAS) w australijskim synchrotronie.
Potwierdzili, że domieszki germanu mają średni stan walencyjny +3,56 , przy czym german w miejscach 16 ° C i 16D wynosi odpowiednio +3 i +4. Wyniki obliczeń teorii funkcjonalnej gęstości (DFT) potwierdzały tę obserwację.
Naukowcy ocenili wydajność elektrochemiczną akumulatorów zawierających LNMO i porównali to z tymi z LNMO z hybrydyzacją orbitalną 4 S -2 P (znaną jako 4S -LNMO). Oceny te wykazały, że domieszkowanie z 2% germanem przyczyniło się do doskonałej stabilności strukturalnej, a także zmniejszonej polaryzacji napięcia akumulatora, poprawy gęstości energii i wyjściowej wysokiego napięcia.
[Chcieliśmy zrozumieć kinetykę dyfuzji litu w dwóch materiałach i stwierdziliśmy, że po wprowadzeniu germentu do systemu rozpowszechnianie litu w materiale jest szybsze, co umożliwia szybsze możliwości ładowania ” - powiedział dr Liang.
Po testowaniu wydajności dr Liang zastosował oparte na synchrotronie bliskie spektroskopia absorpcji rentgenowskiej (NEXAF) na miękkiej linii wiązki rentgenowskiej, aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje o strukturach elektronicznych materiałów aktywnych podczas jazdy na rowerze.
Dane spektroskopowe przy napięciu otwartego obwodu akumulatora wykazały znaczny wzrost intensywności pików materiału 4S-LNMO w pozycji odpowiadającej hybrydyzacji o powierzchni 4 s -2 P. S -2 P Interakcja orbitalna.
[Ponieważ widzimy orbitale niefilansowane, są one powiązane w wyraźny, ale skomplikowany sposób z wypełnionymi orbitaliami, możemy je wykorzystać, aby lepiej scharakteryzować chemię systemu albo poprzez obliczenia mechaniczne kwantowe lub w porównaniu z podobnymi materiałami ” - powiedział Współautor naukowiec instrumentów dr Bruce Cowie.
Dane NEXAFS były również przydatne w ocenie zachowania manganu w materiale.
[Wiemy, że powstrzymanie manganu przed rozpuszczeniem w elektrolicie i hamowanie tworzenia manganu +2 i +3 w strukturze pomoże zapobiec degradacji strukturalnej ” - powiedział dr Liang.
Wyniki NEXAFS wykazały, że w 4S-LNMO istniała tylko niewielka ilość Mn3+ i brak zauważalnych Mn2+, co dodatkowo zwiększa stabilność strukturalną materiału.
W eksperymentach operando na linii dyfrakcji proszkowej w australijskim synchrotronie badano zachowanie strukturalne materiału w baterii podczas jazdy na rowerze. Korzystając z tych danych, zespół potwierdził tłumienie niekorzystnej dwufazowej reakcji przy wysokim napięciu roboczym w 4S-LNMO.
[Hybrydyzacja orbitalna jest zupełnie nową koncepcją badań baterii, ale jest bardzo obiecująca do rozwiązywania problemów z wydajnością baterii ” - powiedział dr Liang.
[Jeszcze lepsze - takie podejście można rozszerzyć na inne materiały akumulatorowe ”.
Inni współautorzy Ansto to dr Anita D`angelo, dr Bernt Johannessen, dr Lars Thomsen i prof. Vanessa Peterson.
Instytucje współpracujące obejmowały University of Adelaide , University of Surrey (UK) oraz Industrial Technology Research Institute (Tajwan).
Dr Liang, który obecnie zajmuje stanowisko na University of Adelaide, otrzymał nagrodę po studiach podyplomowych w Australian Institute of Nuclear Science and Engineerin G (AINSE).
Kluczowe punkty
- Wprowadzenie nowej interakcji molekularnej orbity poprawiło stabilność strukturalną obiecującego materiału katodowego dla akumulatorów litowo-jonowych
- Doping z germanem wykazywał doskonałą stabilność strukturalną, a także zmniejszoną polaryzację napięcia akumulatora, poprawę gęstości energii i wyjście wysokiego napięcia w materiale
- Międzynarodowy zespół prowadzony przez naukowców z Instytutu Materiałów nadprzewodniczych i elektronicznych na University of Wollongong zastosował wiele technik w Australian Synchrotron Ansto i Australian Center for Neutron Taptating w celu wyjaśnienia interakcji orbitalnych molekularnych
