С ростом выбросов парниковых газов срочность решения проблем глобального потепления и изменения климата усилилась, что привело к глобальному переходу к возобновляемым источникам энергии. Разработка перезаряжаемых батарей имеет важное значение для этих усилий.
Литий-ионные аккумуляторы (LIB) являются одними из наиболее широко используемых аккумуляторов сегодня, они используются в автомобилях, смартфонах и даже для хранения энергии. Однако одной из основных проблем с LIB является риск возгорания.
Коммерческие LIB имеют отрицательный электрод углерода с низким рабочим потенциалом. Поскольку углерод работает вблизи потенциала осаждения металлического лития, существует риск внутренних коротких замыканий, особенно при быстрой зарядке батареи.
Альтернативные материалы для отрицательных электродов LIB были тщательно изучены в последние годы с использованием оксидов переходных металлов . Материалы на основе оксидов работают при немного более высоком потенциале, чем литий, что снижает риск коротких замыканий. Кроме того, они обладают превосходной термической стабильностью, что еще больше снижает риск возгорания.
Примечательно, что отрицательные электроды на основе оксидов ведут себя как изоляторы в полностью разряженном состоянии, изолируя аккумулятор в случае аварии. Несмотря на эти преимущества, существующие электроды на основе оксидов, такие как Li 4 Ti 5 O 12 , имеют значительно меньшую емкость по сравнению с углеродными электродами, что побудило исследования материалов на основе перовскита.
Среди этих материалов значительное внимание привлекли оксиды фазы Вадсли–Рота, такие как TiNb 2 O 7 (TNO). Однако атомная структура TNO остается неизвестной, что необходимо для понимания и оптимизации свойств его отрицательного электрода.
Чтобы устранить этот пробел, исследовательская группа из Японии под руководством доцента Наото Китамуры с кафедры теоретической и прикладной химии Токийского университета наук (TUS), в которую вошли г-н Хикари Мацубара, профессор Тиаки Ишибаши и другие, исследовала атомную структуру и влияние структуры сети на свойства электродов TNO.
Их исследование было опубликовано в журнале NPG Asia Materials 10 декабря 2024 года.
«Сетевая структура TNO формирует пути проводимости ионов лития и оказывает значительное влияние на свойства отрицательных электродов. Однако выявление таких сетевых структур с помощью традиционных методов анализа кристаллической структуры затруднительно», — объясняет профессор Китамура.
«В этом исследовании мы выполнили моделирование методом обратного Монте-Карло (RMC) с использованием данных квантового пучка и топологического анализа на основе постоянной гомологии для объяснения факторов, влияющих на свойства отрицательного электрода».
Они подготовили три образца TNO с различными свойствами заряда-разряда: первозданную версию, образец, измельченный в шаровой мельнице для уменьшения размера частиц, и образец, подвергнутый термической обработке. Затем они собрали данные о полном рассеянии образцов из измерений квантового пучка и использовали моделирование RMC для создания трехмерной (3D) атомной структуры материалов с использованием этих данных.
Эти сгенерированные атомные структуры воспроизвели данные полного рассеяния и данные профиля Брэгга реальных образцов, что указывает на их достоверность. Далее они провели топологический анализ, основанный на постоянной гомологии, на сгенерированных 3D-структурах и тщательно изучили взаимосвязь между топологией атомной конфигурации и свойствами отрицательного электрода в деталях.
Их анализ показал, что уменьшение размера частиц путем измельчения в шаровой мельнице и последующей термической обработки, которая смягчает искажения в структуре сети, является наилучшим способом улучшения зарядной и разрядной емкости.
Это говорит о том, что беспорядок в сети существенно влияет на производительность отрицательного электрода. Более того, это показывает, что топологию можно контролировать для достижения наилучших зарядных/разрядных мощностей путем оптимизации процесса подготовки.
«Впервые нам удалось доказать, что сочетание анализа структуры и топологии промежуточного диапазона является перспективным способом разработки руководства по улучшению свойств электродов», — отмечает профессор Китамура.
«TNO может использоваться в литий-ионных аккумуляторах для автомобилей и может способствовать реализации стратегии зеленого роста для достижения углеродной нейтральности», — добавляет он.
Результаты этих исследований играют важную роль в разработке LIB следующего поколения с повышенной безопасностью и производительностью, прокладывая путь к устойчивому будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии.