Ученые из инженерной школы Брауна при Университете Райса обнаружили, что размещение определенных дефектов в кристаллической решетке катодов на основе фосфата лития и железа расширяет пути, по которым перемещаются ионы лития. Их теоретические расчеты могут улучшить производительность на два порядка и указать путь к аналогичным улучшениям в других типах батарей.
Эти дефекты, известные как антисайты, образуются, когда атомы размещаются в неправильных позициях решетки, то есть когда атомы железа находятся в тех местах, которые должны быть заняты литием.
Антиструктурные дефекты препятствуют перемещению лития внутри кристаллической решетки и обычно считаются вредными для работы аккумулятора.
Однако в случае фосфата лития-железа исследователи Райса обнаружили, что они создают множество обходных путей внутри катода и позволяют ионам лития достигать фронта реакции по более широкой поверхности, что помогает улучшить скорость заряда или разряда батарей.
Исследование опубликовано в журнале Nature Computational Materials.
Фосфат лития-железа является широко используемым катодным материалом для литий-ионных аккумуляторов, а также служит хорошей модельной системой для изучения физики, лежащей в основе процесса переключения аккумуляторов, сказал ученый-материаловед из Райса Мин Тан, который проводил исследование с выпускником Лян Хун. исследователь в MathWorks и аспирант Кайки Янг.
По словам Танга, доцента кафедры материаловедения и наноинженерии, после введения лития фаза катода меняется с фазы с низким содержанием лития на фазу с высоким содержанием лития.
Когда кинетика поверхностной реакции вялая, литий можно вставить в фосфат лития-железа только в узкой области поверхности вокруг границы раздела фаз – «дорога» – явление, ограничивающее скорость, с которой аккумулятор может заряжаться.
«Если дефектов нет, литий может попасть только в эту небольшую область прямо вокруг границы раздела фаз», – сказал он. "Однако антиструктурные дефекты могут сделать введение лития более равномерным по поверхности, и поэтому граница будет двигаться быстрее, а батарея будет заряжаться быстрее.
«Если вы заставляете бездефектный катод быстро заряжаться, прикладывая большое напряжение, на поверхности будет очень высокий локальный поток лития, и это может вызвать повреждение катода», – сказал он. «Эта проблема может быть решена путем использования дефектов для распределения потока по всей поверхности катода."
Отжиг материала – нагрев без обжига – можно использовать для контроля концентрации дефектов. Тан сказал, что дефекты также позволят использовать катодные частицы большего размера, чем наноразмерные кристаллы, чтобы помочь улучшить плотность энергии и уменьшить деградацию поверхности.
«Интересное предсказание модели состоит в том, что эта оптимальная конфигурация дефектов зависит от формы частиц, – сказал он. – Мы увидели, что грани определенной ориентации могут сделать обходные пути более эффективными при транспортировке ионов лития.
Следовательно, вам нужно, чтобы на поверхности катода было больше этих граней."
Тан сказал, что модель может быть применена в качестве общей стратегии для улучшения фазопеременных соединений батарей.
«Что касается конструкционных материалов, таких как сталь и керамика, люди все время играют с дефектами, чтобы сделать материалы более прочными», – сказал он. "Но мы не особо много говорили об использовании дефектов для улучшения материалов аккумуляторных батарей.
Обычно люди видят в дефектах неудобства, которые необходимо устранить.
"Но мы думаем, что можем превратить дефекты в друзей, а не врагов, для лучшего хранения энергии."