Giới thiệu một tương tác quỹ đạo phân tử mới, ổn định vật liệu catốt cho pin lithium-ion.
Một nhóm quốc tế lớn được dẫn dắt bởi các nhà khoa học từ Viện Superconducation và Vật liệu điện tử tại Đại học Wollongong đã xác minh rằng việc giới thiệu các tương tác quỹ đạo phân tử mới có thể cải thiện sự ổn định cấu trúc của vật liệu catốt đối với pin lithium-ion.
Việc sản xuất các vật liệu catốt tốt hơn cho pin lithium-ion hiệu suất cao là một thách thức lớn đối với ngành công nghiệp xe điện.
Trong nghiên cứu được công bố trên Angewandte Chemie, tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Gemeng Liang, Giáo sư Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang và Associates, đã sử dụng nhiều khả năng tại Ansto và các kỹ thuật khác để cung cấp bằng chứng cho thấy việc tạo ra một vật liệu catốt đầy hứa hẹn, Spinel Lini 0,5 mn 1,5 O 4 (LNMO), với Germanium củng cố đáng kể tương tác quỹ đạo 4 s- 2 p giữa các cation oxy và kim loại.
Tiến sĩ Liang.
Quỹ đạo 4 s- 2 p tương đối không phổ biến, nhưng chúng tôi đã tìm thấy một hợp chất trong tài liệu trong đó Germanium có trạng thái hóa trị + 3, cho phép cấu hình electron ([AR] 3 D 10 4 S 1 ) trong đó chuyển tiếp 4 s Các electron quỹ đạo kim loại có sẵn để tương tác với các electron không ghép đôi trong quỹ đạo oxy 2 p , tạo ra quỹ đạo lai 4 s- 2 p .
Quỹ đạo 4 S- 2 tạo ra sự ổn định cấu trúc trong vật liệu LNMO , như được xác định bằng các thí nghiệm synchrotron và neutron tại Synchrotron của Úc và Trung tâm tán xạ neutron của Úc, cũng như các phương pháp khác.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiễu xạ bột X-quang (dựa trên phòng thí nghiệm), cũng như kính hiển vi, để xác nhận vị trí của Germanium pha tạp tại các vị trí tinh thể 16 C và 16 D của cấu trúc LNMO với đối xứng nhóm không gian FD3¯M.
Vì trạng thái hóa trị của các chất khử trùng Germanium rất quan trọng để điều tra, quang phổ quang điện tử tia X (XPS) và quang phổ hấp thụ tia X (XAS) tại synchrotron của Úc đã được thực hiện.
Họ xác nhận rằng các chất pha chế Germanium có trạng thái hóa trị trung bình là +3,56, với Germanium ở vị trí 16 C và 16D lần lượt là +3 và +4. Kết quả tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT) đã hỗ trợ quan sát này.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất điện hóa của pin có chứa LNMO và so sánh với các nhà nghiên cứu có chứa LNMO với 4 s -2 p hatbital lai (được gọi là 4S -LNMO). Những đánh giá này cho thấy doping với 2% Germanium góp phần vào sự ổn định cấu trúc vượt trội, cũng như giảm phân cực điện áp pin, mật độ năng lượng được cải thiện và sản lượng điện áp cao.
[Chúng tôi muốn hiểu động học khuếch tán lithium trong hai vật liệu và thấy rằng sau khi germanium được đưa vào hệ thống, sự khuếch tán của lithium trong vật liệu nhanh hơn, cho phép khả năng sạc nhanh hơn ", Tiến sĩ Liang nói.
Sau khi thử nghiệm hiệu suất, Tiến sĩ Liang đã sử dụng quang phổ hấp thụ tia X gần cạnh dựa trên synchrotron (NEXAFS) trên chùm tia X mềm để thông tin chi tiết hơn về cấu trúc điện tử của vật liệu hoạt động trong khi đạp xe.
Dữ liệu quang phổ ở điện áp mạch mở của pin đã tìm thấy sự gia tăng đáng kể về cường độ của các đỉnh của vật liệu 4S-LNMO tại vị trí tương ứng với xác thực cung cấp thêm 4 s -2 p S -2 P tương tác quỹ đạo.
[Bởi vì chúng ta có thể nhìn thấy các quỹ đạo không được lấp đầy, chúng được liên kết theo một cách riêng biệt nhưng phức tạp với các quỹ đạo được lấp đầy, chúng ta có thể sử dụng chúng để giúp đặc trưng tốt hơn hóa học của hệ thống thông qua các tính toán cơ học lượng tử hoặc so sánh với các vật liệu tương tự ", nói Đồng tác giả Nhà khoa học Công cụ Tiến sĩ Bruce Cowie.
Dữ liệu NEXAFS cũng hữu ích trong việc đánh giá hành vi của mangan trong vật liệu.
[Chúng tôi biết rằng việc giữ cho mangan không hòa tan vào chất điện phân và ức chế sự hình thành mangan +2 và +3 trong cấu trúc sẽ giúp ngăn ngừa sự xuống cấp cấu trúc ", Tiến sĩ Liang nói.
Kết quả NEXAFS cho thấy chỉ có một lượng nhỏ Mn3+ và không có Mn2+ đáng chú ý trong 4S-LNMO, làm tăng thêm tính ổn định cấu trúc của vật liệu.
Trong các thí nghiệm Operando trên chùm tia nhiễu xạ bột tại Synchrotron của Úc đã khám phá hành vi cấu trúc của vật liệu trong pin trong khi đạp xe. Sử dụng các dữ liệu này, nhóm đã xác nhận việc triệt tiêu phản ứng hai pha không thuận lợi ở điện áp hoạt động cao trong 4S-LNMO.
[Nhân lai Orbital là một khái niệm khá mới trong nghiên cứu về pin, nhưng rất hứa hẹn để giải quyết các vấn đề về hiệu suất của pin ", Tiến sĩ Liang nói.
[Thậm chí tốt hơn - cách tiếp cận này có thể mở rộng cho các vật liệu pin khác. "
Các đồng tác giả khác của Ansto bao gồm Tiến sĩ Anita D`angelo, Tiến sĩ Bernt Johannessen, Tiến sĩ Lars Thomsen và Giáo sư Vanessa Peterson.
Các tổ chức hợp tác bao gồm Đại học Adelaide , Đại học Surrey (Anh) và Viện nghiên cứu công nghệ công nghiệp (Đài Loan).
Tiến sĩ Liang, hiện đang giữ một vị trí tại Đại học Adelaide, đã nhận được giải thưởng nghiên cứu sau đại học từ Viện Khoa học Hạt nhân và Kỹ sư Hạt nhân Úc G (AINSE).
Những điểm chính
- Sự ra đời của tương tác quỹ đạo phân tử mới đã cải thiện sự ổn định cấu trúc của vật liệu catốt đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion
- Pha tạp với germanium cho thấy sự ổn định cấu trúc vượt trội, cũng như giảm phân cực điện áp pin, mật độ năng lượng được cải thiện và sản lượng điện áp cao trong vật liệu
- Một nhóm quốc tế được dẫn dắt bởi các nhà khoa học từ Viện Vật liệu điện tử và siêu dẫn tại Đại học Wollongong đã sử dụng nhiều kỹ thuật tại Synchrotron của Úc và Trung tâm tán xạ neutron của Úc để làm sáng tỏ các tương tác quỹ đạo phân tử phân tử
