Memperkenalkan interaksi orbital molekul novel yang menstabilkan bahan katod untuk bateri lithium-ion.
Pasukan antarabangsa yang besar yang diketuai oleh saintis dari Institut Superconducting dan Bahan Elektronik di University of Wollongong telah mengesahkan bahawa pengenalan interaksi orbit molekul novel dapat meningkatkan kestabilan struktur bahan katod untuk bateri lithium-ion.
Pengeluaran bahan katod yang lebih baik untuk bateri lithium-ion berprestasi tinggi merupakan cabaran utama bagi industri kereta elektrik.
Dalam penyelidikan yang diterbitkan di Angewandte Chemie, pengarang pertama Dr Gemeng Liang, Prof Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang dan Associates, menggunakan pelbagai keupayaan di Ansto dan teknik lain untuk memberikan bukti bahawa doping bahan katod yang menjanjikan, spinel lini 0.5 mn 1.5 o 4 (LNMO), dengan germanium dengan ketara menguatkan interaksi orbital 4 s- 2 P antara oksigen dan kation logam.
Dr Liang.
Orbital 4 S- 2 P agak luar biasa, tetapi kami mendapati sebatian dalam kesusasteraan di mana germanium mempunyai keadaan valensi + 3, membolehkan konfigurasi elektron ([ar] 3 d 10 4 s 1 ) di mana peralihan 4 s Elektron orbital logam disediakan untuk berinteraksi dengan elektron yang tidak berpasangan di orbital oksigen 2 P , menghasilkan hibrid 4 s- 2 P orbital.
Orbital 4 S- 2 P mewujudkan kestabilan struktur dalam bahan LNMO, seperti yang ditentukan menggunakan eksperimen synchrotron dan neutron di Ansto's Australia Synchrotron dan Pusat Penyebaran Neutron Australia, serta kaedah lain.
Pasukan ini menggunakan difraksi serbuk X-ray neutron dan (makmal), serta mikroskopi, untuk mengesahkan lokasi germanium doped di tapak kristalografi 16 c dan 16 d struktur LNMO dengan simetri kumpulan ruang FD3¯m.
Oleh kerana keadaan valensi dopan germanium adalah penting untuk disiasat, spektroskopi fotoelektron x-ray makmal (XPS) dan pengukuran spektroskopi penyerapan X-ray (XAS) di Synchrotron Australia dijalankan.
Mereka mengesahkan bahawa dopan germanium mempunyai keadaan valensi purata +3.56, dengan germanium di tapak 16 C dan 16D masing -masing +3 dan +4. Hasil pengiraan teori fungsi ketumpatan (DFT) menyokong pemerhatian ini.
Para penyelidik menilai prestasi elektrokimia bateri yang mengandungi LNMO dan dibandingkan dengan yang mengandungi LNMO dengan hibridisasi orbital 4 s -2 P (dikenali sebagai 4S -LNMO). Penilaian ini mendapati bahawa doping dengan germanium 2% menyumbang kepada kestabilan struktur yang unggul, serta mengurangkan polarisasi voltan bateri, ketumpatan tenaga yang lebih baik, dan output voltan tinggi.
[Kami ingin memahami kinetika penyebaran lithium dalam kedua -dua bahan dan mendapati bahawa selepas germanium diperkenalkan ke dalam sistem, penyebaran litium dalam bahan lebih cepat, membolehkan keupayaan cas lebih cepat, "kata Dr Liang.
Berikutan ujian prestasi, Dr Liang menggunakan spektroskopi penyerapan sinar-X (NEXAFS) yang berasaskan sinar-X (NEXAFS) pada beamline x-ray lembut untuk maklumat yang lebih terperinci mengenai struktur elektronik bahan aktif semasa berbasikal.
Data spektroskopi pada voltan litar terbuka bateri mendapati peningkatan ketara dalam intensiti puncak bahan 4S-lnmo pada kedudukan yang sepadan dengan 4 s -2 p orbital hibridisasi-memberikan pengesahan selanjutnya mengenai pengenalan yang berjaya dari novel 4 S -2 P Orbital Interaksi.
[Kerana kita dapat melihat orbital yang tidak terisi, ini dikaitkan dengan cara yang berbeza tetapi rumit kepada orbital yang diisi, kita boleh menggunakannya untuk membantu mencirikan kimia yang lebih baik sistem sama ada melalui pengiraan mekanikal kuantum atau berbanding dengan bahan yang serupa, "kata Saintis instrumen pengarang bersama Dr Bruce Cowie.
Data Nexafs juga berguna dalam menilai tingkah laku mangan dalam bahan tersebut.
[Kami tahu bahawa menjaga mangan daripada melarutkan ke dalam elektrolit dan menghalang pembentukan mangan +2 dan +3 dalam struktur akan membantu mencegah kemerosotan struktur, "kata Dr Liang.
Hasil NexAFS menunjukkan bahawa hanya terdapat sejumlah kecil Mn3+ dan tiada Mn2+ yang ketara dalam 4S-LNMO, yang seterusnya meningkatkan kestabilan struktur bahan.
Dalam eksperimen operando pada beamline difraksi serbuk di Synchrotron Australia meneroka tingkah laku struktur bahan dalam bateri semasa berbasikal. Dengan menggunakan data ini, pasukan mengesahkan penindasan tindak balas dua fasa yang tidak menguntungkan pada voltan operasi yang tinggi di 4S-LNMO.
[Hibridisasi orbital adalah konsep baru dalam penyelidikan bateri, tetapi sangat menjanjikan untuk menyelesaikan masalah prestasi bateri, "kata Dr Liang.
[Lebih baik - pendekatan ini boleh diperluaskan kepada bahan bateri lain. "
Pengarang bersama Ansto lain termasuk Dr Anita D`Angelo, Dr Bernt Johannessen, Dr Lars Thomsen, dan Prof Vanessa Peterson.
Institusi berkolaborasi termasuk Universiti Adelaide , University of Surrey (UK), dan Institut Penyelidikan Teknologi Perindustrian (Taiwan).
Dr Liang, yang kini memegang jawatan di University of Adelaide, menerima Anugerah Penyelidikan Siswazah dari Institut Sains Nuklear Australia dan Kejuruteraan G (Ainse).
Perkara utama
- Pengenalan interaksi orbit molekul novel meningkatkan kestabilan struktur bahan katod yang menjanjikan untuk bateri lithium-ion
- Doping dengan germanium menunjukkan kestabilan struktur yang unggul, serta mengurangkan polarisasi voltan bateri, ketumpatan tenaga yang lebih baik, dan output voltan tinggi dalam bahan
- Pasukan antarabangsa yang diketuai oleh saintis dari Institut Superconducting dan Bahan Elektronik di University of Wollongong menggunakan beberapa teknik di Ansto's Australia Synchrotron dan Pusat Australia untuk Penyebaran Neutron untuk menjelaskan interaksi orbital molekul
