p (Phys.org) - Pesquisadores no Centro de NanoBio Interfaces e grupos de Teoria e Modelagem de Materiais em nanoescala, junto com pesquisadores da Universidade de Chicago, encontraram uma abordagem experimental e computacional integrada que demonstra uma estabilidade dependente da composição de íons de lítio de TiO cúbico enriquecido com vacância ₂ ânodo sujeito a altas pressões na faixa GPa. Um mecanismo de resposta de escala atomística único foi encontrado no qual a intercalação de cátions induz notável estabilidade de materiais defeituosos sob tensão aplicada. Essas descobertas podem beneficiar potencialmente a otimização dos eletrodos da bateria, ao mesmo tempo que demonstra que materiais cúbicos contendo alta vacância catiônica podem acomodar melhor o estresse do eletrodo, levando a uma estabilidade aprimorada de longo prazo para a operação da bateria de íon de lítio. p Os eletrodos da bateria sofrem grandes rearranjos atômicos e alto estresse localizado durante o processo de intercalação-desintercalação. O mecanismo de preenchimento de vaga teoricamente previsto sugere que a estabilidade aprimorada de TiO cúbico ₂ eletrodos é uma consequência de um pedido iniciado por pressão nos locais sujeitos ao maior estresse local. Verificou-se que a estabilidade estrutural aprimorada surge de um "mecanismo de preenchimento de vazio" no qual uma pressão aplicada conduz íons de lítio intersticiais para locais de vazio no interior do óxido.

p Usando a experiência da CNM no projeto de materiais de energia nanoarquitetura em conjunto com simulações de dinâmica molecular, além de medições de síncrotron na Fonte Avançada de Fótons, materiais metaestáveis ​​foram estabelecidos como uma plataforma para a criação de baterias de automontagem e autoaperfeiçoamento que preservam capacidade e energia superiores em ciclos prolongados. Eletrodos que naturalmente escolhem e otimizam sua estrutura com ciclos repetidos podem atingir desempenho teórico. A nanoporosidade eletronicamente interconectada permite a participação total de cada átomo de eletrodo para atingir a capacidade teórica, enquanto os comprimentos de difusão curtos de íons transportadores (lítio, sódio, ou magnésio) permite um carregamento excepcionalmente rápido.

p A pressão de transição de fase cristalina para amorfa aumenta monotonicamente com a concentração de lítio (de ~ 17,5 GPa para transição de fase delitiada para nenhuma transição de fase para titânia cúbica totalmente litiada até 60 GPa). O aumento associado na estabilidade estrutural é postulado como surgindo de um mecanismo de preenchimento de vazio no qual uma pressão aplicada conduz íons de lítio intersticiais para locais de vazio no interior do óxido. As descobertas sugerem que, embora surpreendentemente estável, um c-TiO ₂ eletrodo de nanotubo é mais vulnerável no estado descarregado (delitiado). O aumento da concentração de lítio dá origem a um mecanismo de preenchimento de vaga sob a pressão aplicada que aumenta a estabilidade estrutural do TiO cúbico ₂ .

p Em eletrodos de bateria, grandes rearranjos atômicos e alto estresse são esperados no gradiente de concentração de lítio mais alto. O mecanismo de preenchimento de vaga observado sugere que a estabilidade aprimorada de c-TiO ₂ eletrodos é uma consequência de um pedido iniciado por pressão nos locais sujeitos ao maior estresse local. Essas descobertas podem beneficiar a otimização dos eletrodos da bateria e mostrar que o alto conteúdo de vacância catiônica em materiais cúbicos auxilia na acomodação da tensão do eletrodo e melhora sua estabilidade a longo prazo para a operação da bateria de íon-lítio.