I vuoti di ossigeno trasformano un materiale con scarsa conducibilità ionica in un ottimo materiale per batterie
Trasporto ionico potenziato dimostrato combinando la conduttività e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR)
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Il titanato di litio (LTO, Li₄Ti₅O₁₂) è un materiale per batterie ampiamente utilizzato che, allo stato puro, presenta una scarsa conduttività ionica per gli ioni di litio. Sviluppa un’elevata conduttività ionica solo durante la ricarica, quando ioni di litio ed elettroni aggiuntivi vengono incorporati nel materiale. Bernhard Gadermaier e Martin Wilkening dell’Istituto di Chimica e Tecnologia dei Materiali dell’Università Tecnica di Graz hanno ora adottato un approccio completamente diverso: hanno trasformato l’LTO puro e non litiato, nella sua composizione originale Li₄Ti₅O₁₂, in un conduttore ionico significativamente migliore, introducendo deliberatamente dei difetti nel reticolo cristallino. Nello specifico, hanno rimosso singoli atomi di ossigeno, creando così lacune di ossigeno che attivano una via di migrazione degli ioni di litio precedentemente bloccata. «Questa via di diffusione è già preformata nella struttura dell’LTO, ma viene attivata solo dalla struttura difettosa», spiega Wilkening. I risultati dello studio sperimentale sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.
L’ossigeno (rosso), il litio (blu) e il titanio (grigio) costituiscono insieme la struttura cristallina del titanato di litio, materiale utilizzato nelle batterie.
ICTM - TU Graz
Riscaldamento in atmosfera povera di ossigeno
Per creare i difetti nell’LTO, Gadermaier e Wilkening hanno riscaldato il titanato di litio a 300 gradi Celsius in un’atmosfera povera di ossigeno. «Questo delicato processo di riscaldamento rimuove singoli atomi di ossigeno dal reticolo cristallino», spiega Martin Wilkening. «I vuoti di ossigeno così ottenuti influenzano direttamente la mobilità dei cationi di litio e trasformano quello che in origine era un conduttore ionico mediocre in uno significativamente migliore. L’esempio dell’LTO illustra chiaramente l’enorme influenza che le strutture difettose su scala atomica possono avere sulle proprietà macroscopiche di un materiale».
Verifica sperimentale approfondita
I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente il miglioramento del trasporto ionico combinando la spettroscopia di conduttività con la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Le misurazioni NMR, in particolare, hanno fornito una prova sperimentale diretta della nuova via di diffusione su scala atomica che si è attivata.
«Il nostro studio sperimentale dimostra che le proprietà di un solido non sono determinate esclusivamente dalla sua composizione chimica, ma anche, in misura significativa, dalla sua struttura locale dei difetti e dalla sua storia termica», afferma Martin Wilkening. «Mostriamo come la mobilità dei piccoli cationi di litio possa essere controllata con precisione utilizzando i concetti classici della chimica dei difetti anionici».
La ricerca di base come motore di nuove funzionalità dei materiali
«Questo lavoro è anche un ottimo esempio di come la ricerca fondamentale, guidata dalla curiosità scientifica e senza un’applicazione immediata in mente, possa portare a funzioni dei materiali completamente nuove», afferma Wilkening. «Il controllo mirato della conduttività ionica attraverso la chimica dei difetti apre nuove prospettive per dispositivi iontronici, memristivi e neuromorfici nel campo della micro- e nanoelettronica».
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