p Nanotubos de óxido de titânio amorfo, após a inserção de lítio em uma bateria de íon-lítio, auto-criar a estrutura de óxido de titânio de lítio cúbico de maior capacidade
p (Phys.org) —A busca por energia limpa e verde no século 21 requer uma tecnologia de bateria melhor e mais eficiente. A chave para atingir esse objetivo pode estar em projetar e construir baterias, não de cima para baixo, mas de baixo para cima - começando na nanoescala. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Chicago adotou essa abordagem desenvolvendo dióxido de titânio (TiO
2 ) eletrodos que podem realmente melhorar seu próprio desempenho eletroquímico à medida que são usados. p Os experimentadores sintetizaram TiO
2 nanotubos e os montou em células de íons de lítio, em seguida, ciclou-os galvanostaticamente entre 0,8 V e 2,0 V. Amostras de eletrodos das células foram examinadas usando difração de raios-X (XRD) na linha de luz do dispositivo de inserção GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D e espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) no X linha de luz magnética de dobra da Divisão de Ciência 20-BM, ambos na Fonte Avançada de Fótons do Departamento de Energia dos EUA em Argonne.
p Além da síntese do TiO
2 nanotubos, Imagens de microscopia eletrônica de varredura e simulações de dinâmica molecular também foram realizadas no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne. Todas essas técnicas forneceram uma janela para a inclusão e remoção de íons (processo de intercalação / desintercalação) que ocorrem no TiO
2 nanotubos.
p Usando o TiO em nanoescala amorfo
2 nanotubos como um ânodo em meias-células de lítio, os pesquisadores notaram uma diminuição de tensão consistentemente linear durante a primeira descarga, seguido por um "aumento" em ~ 1,1 V vs Li / Li +. Isso indicou uma transição de fase irreversível no material nanotubo.
p Em ciclos subsequentes, Íons Li + reversivelmente intercalados / desintercalados no TiO
2 nanotubos com capacidades muito além das observadas em outros TiO
2 variedades como anatase.
p A equipe concluiu que isso se deve a uma estrutura diferente ou mecanismo de intercalação que ocorre como resultado da transição de fase. Comparado com anatase, o TiO transformado em fase
2 ânodo de nanotubo exibiu difusão de íons de lítio muito melhorada, especialmente em altas taxas de ciclismo. O TiO
2 ânodo de nanotubo demonstrou energia muito maior e maior potência em comparação com seu TiO estrutural
2 prima e primo, que exibiu uma diminuição na capacidade em experimentos semelhantes usando ciclagem rápida.
p Os estudos XRD e XAS, junto com simulações computacionais, exibiu como a estrutura do ânodo muda durante o ciclo. Acima de ~ 1,1 V, nenhuma mudança foi observada com o ciclismo, mas abaixo de 1,1 V, altamente simétrico, estrutura cristalina de oxigênio cúbico compactada formada, com Ti e Li distribuídos aleatoriamente entre sítios octaédricos.
p Interessantemente, o tipo de ordem de curto alcance que seria esperado em um sistema octaédrico totalmente ordenado aparentemente não se desenvolve neste caso. Contudo, isso não afeta a estabilidade termodinâmica, e a estrutura cúbica permaneceu altamente estável e reversível após a transição de fase.
p Parece que a intercalação / desintercalação de íons Li + inicia uma nova estrutura que permite ainda melhor intercalação de íons Li +. Como todas as camadas da nova estrutura retêm átomos de metal, mesmo no estado carregado, a fase cúbica do material é preservada. Simulações de dinâmica molecular de difusão de íons de lítio em outros tipos de TiO
2 estruturas mostraram que a difusão mais eficiente e a barreira de ativação mais baixa (0,257 eV) ocorre no Li cúbico amorfo
2 Ti
2 O
4 Formato, em comparação com outro TiO
2 variedades como, novamente, anatase.
p O TiO amorfo para cúbico
2 o ânodo do nanotubo foi testado em uma configuração de célula completa com um catodo espinélio de 5 V (LiNi0.5Mn1.5O4). No ciclismo repetido, a célula exibia uma tensão média de 2,8 V e uma capacidade crescente.
p Outra vantagem distinta do TiO
2 ânodo de nanotubo é que porque não sofre degradação de capacidade, ele evita o revestimento de lítio no ânodo de grafite e os superpotenciais do eletrodo que criam possíveis riscos à segurança em outros tipos de baterias de íons de lítio.
p Ao criar um material de eletrodo em nanoescala que pode realmente se ordenar em uma estrutura eletroquímica mais eficiente e poderosa, pois é submetido a descargas e cargas repetidas, a equipe de pesquisa criou um novo caminho para o design e desenvolvimento de maior capacidade, poder superior, baterias mais seguras. Em nosso mundo de tecnologia de telefones inteligentes e carros elétricos, a importância de tal avanço dificilmente pode ser superestimada.
