«Вытащили» кислород — ускорили литий: найден способ улучшить батареи

Химики Технического университета Граца нашли способ ускорить движение ионов лития в титанате лития Li₄Ti₅O₁₂ — материале, который используют в анодах долговечных и быстрозаряжаемых аккумуляторов. Исследователи намеренно удалили часть атомов кислорода из кристаллической решетки. Образовавшиеся дефекты открыли дополнительный путь для переноса лития, не разрушив основную структуру материала.

Титанат лития сочетает безопасность и долговечность

Li₄Ti₅O₁₂ рассматривают как альтернативу графиту для отрицательных электродов аккумуляторов. У этого материала есть важное преимущество: во время зарядки и разрядки его кристаллическая решетка почти не меняется в объеме. Электрод меньше деформируется, поэтому способен выдерживать большое число циклов.

Титанат лития также считается безопасным материалом для аккумуляторных систем. Он поддерживает быструю зарядку и сохраняет рабочие свойства при низких температурах. Однако у него есть слабое место — низкая ионная проводимость в исходном, незаряженном состоянии. Ионам лития трудно перемещаться внутри кристалла, из-за чего возможности материала используются не полностью.

Кристалл нагрели примерно до 300 °C

Чтобы изменить свойства титаната лития, ученые провели обработку при пониженном содержании кислорода. Материал нагревали примерно до 300 °C. В таких условиях из кристаллической решетки удалялась небольшая часть атомов кислорода.

Пустые места, которые появились после удаления атомов, называют кислородными вакансиями. Это не случайные разрушения материала, а микроскопические дефекты, способные менять движение зарядов и ионов внутри кристалла. В работе химики использовали их как инструмент для управления проводимостью титаната лития.

Вакансии активировали скрытый канал

В исходном материале один из возможных каналов для перемещения ионов лития практически не работал. После появления кислородных вакансий ситуация изменилась: дефекты активировали этот путь и сделали перенос лития значительно эффективнее.

При этом основная кристаллическая архитектура Li₄Ti₅O₁₂ сохранилась. Материал не пришлось полностью перестраивать или превращать в другой химический состав. Исследователи добились изменения транспортных свойств за счет небольшого количества структурных нарушений.

Такой подход важен для разработки анодов, которым одновременно нужны высокая скорость зарядки, стабильность и продолжительный срок службы. Ускорение движения ионов может помочь уменьшить ограничения, связанные с низкой проводимостью титаната лития на начальном этапе работы аккумулятора.

Результат проверили на разных уровнях

Эффект подтвердили двумя независимыми методами. Спектроскопия проводимости показала изменения в поведении материала на макроскопическом уровне — по тому, насколько эффективно через образец проходят электрические и ионные процессы.

Затем ученые применили ядерный магнитный резонанс. Этот метод позволил проследить движение отдельных ионов лития внутри кристалла и связать улучшение проводимости с появлением кислородных вакансий. Совпадение результатов на разных масштабах усилило вывод о том, что именно дефекты открывают дополнительный канал переноса.

Следующий этап — испытания аккумуляторных ячеек

Пока работа Технического университета Граца остается фундаментальным исследованием свойств материала. Полученный результат показывает, как управляемое удаление кислорода влияет на ионный транспорт, но еще не доказывает готовность метода к промышленному применению.

Ученым предстоит проверить, можно ли масштабировать обработку, насколько стабильно сохраняются кислородные вакансии и как модифицированный титанат лития поведет себя в полноценных аккумуляторных ячейках. Важно также оценить его работу при многократных циклах зарядки и разрядки, поскольку именно долговечность остается одним из главных преимуществ Li₄Ti₅O₁₂.

Читайте также

• Тараканы-парамедики: в Австралии испытали киборгов, способных доставлять лекарства пострадавшим