Memperkenalkan interaksi orbital molekul baru yang menstabilkan bahan katoda untuk baterai lithium-ion.
Sebuah tim internasional besar yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Institute for Superkonduktor dan bahan elektronik di University of Wollongong telah memverifikasi bahwa pengenalan interaksi orbital molekuler baru dapat meningkatkan stabilitas struktural bahan katoda untuk baterai lithium-ion.
Produksi bahan katoda yang lebih baik untuk baterai lithium-ion berkinerja tinggi adalah tantangan utama bagi industri mobil listrik.
Dalam penelitian yang diterbitkan di Angewandte Chemie, penulis pertama Dr Gemeng Liang, Prof Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang dan Associates, menggunakan beberapa kemampuan di ANSTO dan teknik lain untuk memberikan bukti bahwa mendoping bahan katoda yang menjanjikan, Spinel Lini 0,5 MN 1,5 O 1 4 (LNMO), dengan germanium secara signifikan memperkuat interaksi orbital 4 S- 2 P antara oksigen dan kation logam.
Dr Liang.
Orbital 4 S- 2 P relatif tidak umum, tetapi kami menemukan senyawa dalam literatur di mana germanium memiliki keadaan valensi + 3, memungkinkan konfigurasi elektron ([ar] 3 d 10 4 s 1 ) di mana transisi 4 detik Elektron orbital logam tersedia untuk berinteraksi dengan elektron tidak berpasangan dalam orbital oksigen 2 P , menghasilkan orbital hibrida 4 S- 2 P.
Orbital 4 S- 2 P menciptakan stabilitas struktural dalam materi LNMO, sebagaimana ditentukan menggunakan Synchrotron dan Eksperimen Neutron di Synchrotron Australia Ansto dan Pusat Australia untuk hamburan neutron, serta metode lainnya.
Tim menggunakan difraksi bubuk sinar-X neutron dan (berbasis laboratorium), serta mikroskop, untuk mengkonfirmasi lokasi germanium yang didoping pada situs kristalografi 16 C dan 16 D dari struktur LNMO dengan simetri grup ruang fd3m.
Karena keadaan valensi dopan germanium penting untuk diselidiki, spektroskopi fotoelektron X-ray laboratorium (XPS) dan pengukuran spektroskopi serapan sinar-X (XAS) pada synchrotron Australia dilakukan.
Mereka mengkonfirmasi bahwa dopan germanium memiliki keadaan valensi rata -rata +3,56, dengan germanium di 16 C dan 16D situs masing -masing +3 dan +4. Hasil perhitungan teori fungsional kepadatan (DFT) mendukung pengamatan ini.
Para peneliti mengevaluasi kinerja elektrokimia baterai yang mengandung LNMO dan membandingkannya dengan yang mengandung LNMO dengan hibridisasi orbital 4 s -2 p (dikenal sebagai 4S -LNMO). Penilaian ini menemukan bahwa doping dengan 2% germanium berkontribusi pada stabilitas struktural yang unggul, serta mengurangi polarisasi tegangan baterai, peningkatan kepadatan energi, dan output tegangan tinggi.
[Kami ingin memahami kinetika difusi lithium dalam dua bahan dan menemukan bahwa setelah germanium dimasukkan ke dalam sistem, difusi lithium dalam bahan lebih cepat, memungkinkan kemampuan muatan lebih cepat, "kata Dr Liang.
Setelah pengujian kinerja, Dr Liang menggunakan spektroskopi serapan sinar-X dekat-tepi berbasis synchrotron pada sinar-X yang lunak untuk informasi yang lebih rinci tentang struktur elektronik bahan aktif selama bersepeda.
Data spektroskopi pada tegangan sirkuit terbuka dari baterai menemukan peningkatan yang signifikan dalam intensitas puncak bahan 4S-LNMO pada posisi yang sesuai dengan 4 s -2 p orbital hibridisasi yang mendorong validasi lebih lanjut dari keberhasilan pengenalan novel 4 S -2 P interaksi orbital.
[Karena kita dapat melihat orbital yang tidak terisi, ini dihubungkan dengan cara yang berbeda namun rumit dengan orbital yang diisi, kita dapat menggunakannya untuk membantu mengkarakterisasi kimia sistem yang lebih baik baik melalui perhitungan mekanik kuantum atau dengan perbandingan dengan bahan yang serupa, "kata Ilmuwan instrumen rekan penulis Dr Bruce Cowie.
Data NEXAFS juga berguna dalam mengevaluasi perilaku mangan dalam materi.
[Kita tahu bahwa menjaga mangan dari larut ke dalam elektrolit dan menghambat pembentukan mangan +2 dan +3 dalam struktur akan membantu mencegah degradasi struktural, "kata Dr Liang.
Hasil NEXAFS menunjukkan bahwa hanya ada sejumlah kecil Mn3+ dan tidak ada Mn2+ yang terlihat dalam 4S-LNMO, yang selanjutnya meningkatkan stabilitas struktural material.
Dalam eksperimen operando pada balok difraksi bubuk di Synchrotron Australia mengeksplorasi perilaku struktural material dalam baterai selama bersepeda. Dengan menggunakan data ini, tim mengkonfirmasi penekanan reaksi dua fase yang tidak menguntungkan pada tegangan operasi tinggi di 4S-LNMO.
[Orbital Hybridisation adalah konsep baru dalam penelitian baterai, tetapi sangat menjanjikan untuk menyelesaikan masalah kinerja baterai, "kata Dr Liang.
[Bahkan lebih baik - pendekatan ini dapat diperpanjang ke bahan baterai lainnya. "
Rekan penulis Ansto lainnya termasuk Dr Anita D`Angelo, Dr Bernt Johannessen, Dr Lars Thomsen, dan Prof Vanessa Peterson.
Lembaga kolaborasi termasuk Universitas Adelaide , University of Surrey (UK), dan Industrial Technology Research Institute (Taiwan).
Dr Liang, yang saat ini memegang posisi di University of Adelaide, menerima Penghargaan Penelitian Pascasarjana dari Institut Ilmu dan Insinyur Nuklir Australia (AINSE).
Poin -poin penting
- Pengenalan interaksi orbital molekul baru meningkatkan stabilitas struktural bahan katoda yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion
- Doping dengan germanium menunjukkan stabilitas struktural yang unggul, serta mengurangi polarisasi tegangan baterai, peningkatan kepadatan energi, dan output tegangan tinggi dalam material
- Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Institute for Superkonduktor dan Bahan Elektronik di University of Wollongong menggunakan beberapa teknik di Synchrotron Australia Ansto dan Pusat Australia untuk hamburan neutron untuk menjelaskan interaksi orbital molekuler molekuler
