(Phys.org) — Chercheurs des groupes NanoBio Interfaces et Theory &Modeling du Center for Nanoscale Materials, avec des chercheurs de l'Université de Chicago, ont trouvé une approche expérimentale et informatique intégrée qui démontre une stabilité dépendante de la composition des ions lithium du TiO cubique enrichi en lacunes 2 anode soumise à des pressions élevées de l'ordre du GPa. Un mécanisme de réponse à l'échelle atomistique unique a été trouvé dans lequel l'intercalation des cations induit une stabilité remarquable des matériaux défectueux sous contrainte appliquée. Ces résultats peuvent potentiellement bénéficier à l'optimisation des électrodes de batterie tout en démontrant que les matériaux cubiques contenant des lacunes cationiques élevées peuvent mieux s'adapter au stress des électrodes, conduisant à une meilleure stabilité à long terme pour le fonctionnement de la batterie lithium-ion.

Les électrodes de batterie subissent de grands réarrangements atomiques et une contrainte localisée élevée pendant le processus d'intercalation-désintercalation. Le mécanisme de remplissage des lacunes théoriquement prédit suggère qu'une stabilité accrue du TiO cubique 2 électrodes est une conséquence d'un ordre initié par la pression sur les sites soumis à la contrainte locale la plus élevée. Une stabilité structurelle améliorée s'est avérée provenir d'un "mécanisme de remplissage des lacunes" dans lequel une pression appliquée conduit les ions lithium interstitiels vers les sites de lacunes à l'intérieur de l'oxyde.

En s'appuyant sur l'expertise du CNM dans la conception de matériaux énergétiques nano-architecturés en conjonction avec des simulations de dynamique moléculaire, en plus des mesures synchrotron à la source avancée de photons, les matériaux métastables ont été établis comme une plate-forme pour créer des batteries à auto-assemblage et à auto-amélioration qui préservent une capacité et une puissance supérieures sur un cycle prolongé. Des électrodes qui choisissent et optimisent naturellement leur structure avec des cycles répétés peuvent atteindre des performances théoriques. La nanoporosité interconnectée électroniquement permet la pleine participation de chaque atome d'électrode à la réalisation de la capacité théorique, tandis que les courtes longueurs de diffusion des ions transporteurs (lithium, sodium, ou magnésium) permet une charge exceptionnellement rapide.

La pression de transition de phase cristalline à amorphe augmente de manière monotone avec la concentration en lithium (de ~ 17,5 GPa pour une transition de phase délithiée à aucune transition de phase pour l'oxyde de titane cubique entièrement lithié jusqu'à 60 GPa). L'amélioration associée de la stabilité structurelle est supposée provenir d'un mécanisme de remplissage des lacunes dans lequel une pression appliquée entraîne les ions lithium interstitiels vers les sites de lacunes à l'intérieur de l'oxyde. Les résultats suggèrent que, bien qu'étonnamment stable, un c-TiO 2 L'électrode de nanotube est la plus vulnérable à l'état déchargé (délithié). L'augmentation de la concentration en lithium donne lieu à un mécanisme de remplissage des lacunes sous la pression appliquée qui améliore la stabilité structurelle du TiO cubique 2 .

Dans les électrodes de batterie, de grands réarrangements atomiques et des contraintes élevées sont attendus au gradient de concentration de lithium le plus élevé. Le mécanisme de remplissage des lacunes observé suggère qu'une stabilité accrue de c-TiO 2 électrodes est une conséquence d'un ordre initié par la pression sur les sites soumis à la contrainte locale la plus élevée. Ces résultats pourraient bénéficier à l'optimisation des électrodes de batterie et montrer qu'une teneur élevée en lacunes cationiques dans les matériaux cubiques aide à s'adapter au stress des électrodes et améliore leur stabilité à long terme pour le fonctionnement de la batterie lithium-ion.