(Phys.org)—La recherche d'une énergie propre et verte au 21e siècle nécessite une technologie de batterie meilleure et plus efficace. La clé pour atteindre cet objectif peut résider dans la conception et la construction de batteries non pas de haut en bas, mais de bas en haut, en commençant à l'échelle nanométrique. Une équipe de chercheurs de l'Argonne National Laboratory et de l'Université de Chicago a adopté une telle approche en développant du dioxyde de titane (TiO 2 ) des électrodes qui peuvent réellement améliorer leurs propres performances électrochimiques au fur et à mesure de leur utilisation.

Les expérimentateurs ont synthétisé du TiO 2 nanotubes et les a assemblés en piles bouton Li-ion, puis les a cyclés galvanostatiquement entre 0,8 V et 2,0 V. Les échantillons d'électrodes des cellules ont ensuite été examinés à l'aide de la diffraction des rayons X (XRD) sur la ligne de faisceau du dispositif d'insertion GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D et de la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) au X -ray Science Division 20-BM ligne de faisceau à aimant de courbure, tous deux à la source avancée de photons du département américain de l'Énergie à Argonne.

En plus de la synthèse du TiO 2 nanotubes, Des simulations d'imagerie par microscopie électronique à balayage et de dynamique moléculaire ont également été réalisées au Centre d'Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique. Toutes ces techniques ont fourni une fenêtre sur l'inclusion et l'élimination des ions (processus d'intercalation/désintercalation) se produisant dans le TiO 2 nanotubes.

Utilisation du TiO nanométrique amorphe 2 des nanotubes comme anode dans des demi-piles au lithium, les chercheurs ont noté une tension décroissante systématiquement linéaire lors de la première décharge, suivi d'une "bosse" à ~1,1 V vs Li/Li+. Cela a indiqué une transition de phase irréversible dans le matériau de nanotube.

Aux cycles suivants, Ions Li+ intercalés/désintercalés de manière réversible dans le TiO 2 nanotubes avec des capacités bien au-delà de celles observées dans d'autres TiO 2 variétés telles que l'anatase.

L'équipe a conclu que cela est dû à une structure différente ou à un mécanisme d'intercalation résultant de la transition de phase. Par rapport à l'anatase, le TiO transformé en phase 2 l'anode de nanotube a affiché une diffusion Li-ion grandement améliorée, surtout à des taux de cyclage élevés. Le TiO 2 l'anode en nanotube a démontré à la fois une énergie et une puissance beaucoup plus élevées par rapport à son TiO structurel 2 les cousins, qui a affiché une diminution de capacité dans des expériences similaires utilisant un cycle rapide.

Les études XRD et XAS, avec des simulations informatiques, affiché comment la structure de l'anode change lors du cycle. Au-dessus de ~1,1 V, aucun changement n'a été observé avec le cyclisme, mais en dessous de 1,1 V, une très symétrique, formation d'une structure cristalline d'oxygène cubique compactée, avec Ti et Li distribués aléatoirement parmi les sites octaédriques.

De façon intéressante, le type d'ordre à courte portée qui serait attendu dans un tel système octaédrique entièrement ordonné ne se développe apparemment pas dans ce cas. Cependant, cela n'affecte pas la stabilité thermodynamique, et la structure cubique est restée à la fois très stable et réversible après la transition de phase.

Il apparaît que l'intercalation/désintercalation des ions Li+ initie une nouvelle structure qui permet une intercalation encore meilleure des ions Li+. Parce que toutes les couches de la nouvelle structure retiennent les atomes de métal même à l'état chargé, la phase cubique du matériau est conservée. Simulations de dynamique moléculaire de la diffusion Li-ion dans d'autres types de TiO 2 structures ont montré que la diffusion la plus efficace et la barrière d'activation la plus faible (0,257 eV) se produisent dans le Li cubique amorphe 2 Ti 2 O 4 former, par rapport aux autres TiO 2 variétés telles que, de nouveau, anatase.

Le TiO amorphe à cubique 2 L'anode en nanotubes a été testée dans une configuration à cellule complète avec une cathode spinelle de 5 V (LiNi0.5Mn1.5O4). En cyclisme répété, la cellule affichait une tension moyenne de 2,8 V et une capacité améliorée.

Un autre avantage distinct du TiO 2 l'anode de nanotube est que parce qu'elle ne subit pas de dégradation de capacité, il évite le placage de Li au niveau de l'anode en graphite et des surtensions d'électrode qui créent des risques de sécurité possibles dans d'autres types de batteries Li-ion.

En créant un matériau d'électrode à l'échelle nanométrique qui peut réellement s'ordonner en une structure électrochimique plus efficace et plus puissante lorsqu'il est soumis à des décharges et des charges répétées, l'équipe de recherche a forgé une nouvelle voie pour la conception et le développement de capacités supérieures, puissance supérieure, batteries plus sûres. Dans notre monde de la technologie des téléphones intelligents et des voitures électriques, l'importance d'une telle avancée ne peut guère être surestimée.