แนะนำปฏิสัมพันธ์ของวงโคจรโมเลกุลที่แปลกใหม่ซึ่งทำให้วัสดุแคโทดมีเสถียรภาพสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แนะนำปฏิสัมพันธ์ของวงโคจรโมเลกุลที่แปลกใหม่ซึ่งทำให้วัสดุแคโทดมีความเสถียรสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ทีมงานนานาชาติขนาดใหญ่ที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันตัวนำยิ่งยวดและวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่ University of Wollongong ได้ตรวจสอบว่าการแนะนำปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลโมเลกุลแบบใหม่สามารถปรับปรุงความมั่นคงของโครงสร้างของวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

การผลิตวัสดุแคโทดที่ดีกว่าสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูงเป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า

ในการวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Angewandte Chemie ผู้เขียนคนแรกดร. Gemeng Liang ศาสตราจารย์ Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang and Associates ใช้ความสามารถหลายอย่างที่ ANSTO และเทคนิคอื่น ๆ 4 ( LNMO ) โดยเจอร์เมเนียมเสริมความแข็งแกร่งให้กับการปฏิสัมพันธ์ระหว่าง 4 S- 2 P ระหว่างออกซิเจนและไอออนบวกของโลหะอย่างมีนัยสำคัญ

ดร. เหลียง

4 S- 2 P orbital ค่อนข้างผิดปกติ แต่เราพบสารประกอบในวรรณคดีที่เจอร์เมเนียมมีสถานะวาเลนซ์ที่ + 3 ทำให้การกำหนดค่าอิเล็กตรอน ([AR] 3 D 10 4 S 1 ) ซึ่งการเปลี่ยน 4 วินาที อิเล็กตรอนวงโคจรของโลหะมีให้โต้ตอบกับอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ในออกซิเจน 2 P orbital ทำให้เกิดไฮบริด 4 S- 2 P orbital

4 S- 2 P orbital สร้างความเสถียรของโครงสร้างในวัสดุ LNMO ตามที่กำหนดโดยใช้การทดลอง synchrotron และนิวตรอนที่ ANSTO'S Australian Synchrotron และศูนย์การกระเจิงนิวตรอนของออสเตรเลียรวมถึงวิธีอื่น ๆ

ทีมใช้นิวตรอนและการเลี้ยวเบนของผง X-ray (ห้องปฏิบัติการ) เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์เพื่อยืนยันตำแหน่งของเจอร์เมเนียมเจือที่ 16 C และ 16 D crystallographic ของโครงสร้าง LNMO ที่มีความสมมาตรของกลุ่มFD3¯m

เนื่องจากสถานะวาเลนซ์ของเจอร์เมเนียมเจือเป็นสิ่งสำคัญในการตรวจสอบการตรวจเอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนในห้องปฏิบัติการ (XPS) และการวัดสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAS) ที่ Synchrotron ของออสเตรเลียได้ดำเนินการ

พวกเขายืนยันว่าเจอร์เมเนียมเจือปนมีสถานะวาเลนซ์เฉลี่ย +3.56 โดยเจอร์เมเนียมที่ 16 C และ 16D ไซต์คือ +3 และ +4 ตามลำดับ ผลลัพธ์ของการคำนวณทฤษฎีความหนาแน่น (DFT) สนับสนุนการสังเกตนี้

นักวิจัยประเมินประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มี LNMO และเปรียบเทียบกับผู้ที่มี LNMO ที่มี 4 s -2 P orbital hybridisation (เรียกว่า 4S -LNMO) การประเมินเหล่านี้พบว่าการเติมด้วย 2% เจอร์เมเนียมมีส่วนทำให้เกิดความเสถียรของโครงสร้างที่เหนือกว่าเช่นเดียวกับการลดโพลาไรซ์แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้นและแรงดันไฟฟ้าสูง

[เราต้องการที่จะเข้าใจจลนพลศาสตร์การแพร่กระจายของลิเธียมในวัสดุทั้งสองและพบว่าหลังจากที่เจอร์เมเนียมได้รับการแนะนำเข้าสู่ระบบการแพร่กระจายของลิเธียมในวัสดุนั้นเร็วขึ้น

หลังจากการทดสอบประสิทธิภาพ Dr Liang ใช้ Synchrotron- agn -edge X-ray Absorption spectroscopy (NEXAFS) ที่ใช้ซินโครตร

ข้อมูลสเปกโทรสโกปีที่แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของแบตเตอรี่พบว่าการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในความเข้มของยอดเขาของวัสดุ 4S-LNMO ที่ตำแหน่งที่สอดคล้องกับ 4 s -2 p orbital hybridisation ให้การตรวจสอบเพิ่มเติมของการแนะนำที่ประสบความสำเร็จของนวนิยาย 4 S -2 P การปฏิสัมพันธ์ orbital

[เนื่องจากเราสามารถเห็น orbitals ที่ไม่สำเร็จสิ่งเหล่านี้เชื่อมโยงกันในวิธีที่แตกต่าง แต่ซับซ้อนกับวงโคจรที่เติมเต็มเราสามารถใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อช่วยอธิบายลักษณะทางเคมีของระบบที่ดีขึ้นไม่ว่าจะผ่านการคำนวณเชิงกลควอนตัมหรือเปรียบเทียบกับวัสดุที่คล้ายกัน " นักวิทยาศาสตร์ผู้ร่วมเขียนเครื่องดนตรีดร. บรูซโควี่

ข้อมูล NEXAFS ยังมีประโยชน์ในการประเมินพฤติกรรมของแมงกานีสในวัสดุ

[เรารู้ว่าการป้องกันไม่ให้แมงกานีสละลายเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์และยับยั้งการก่อตัวของแมงกานีส +2 และ +3 ในโครงสร้างจะช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพของโครงสร้าง "ดร. เหลียงกล่าว

ผล NEXAFS แสดงให้เห็นว่ามีเพียงเล็กน้อยของ MN3+ และไม่มี MN2+ ที่เห็นได้ชัดเจนใน 4S-LNMO ซึ่งจะเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างของวัสดุ

ใน การทดลองใช้งานการเลี้ยวเบนของผงที่คานที่ Synchrotron ของออสเตรเลียสำรวจพฤติกรรมเชิงโครงสร้างของวัสดุภายในแบตเตอรี่ในระหว่างการขี่จักรยาน การใช้ข้อมูลเหล่านี้ทีมยืนยันการปราบปรามปฏิกิริยาสองเฟสที่ไม่พึงประสงค์ที่แรงดันไฟฟ้าสูงใน 4S-LNMO

[การผสมพันธุ์ของวงโคจรเป็นแนวคิดใหม่ในการวิจัยแบตเตอรี่ แต่มีแนวโน้มมากสำหรับการแก้ปัญหาประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ "ดร. เหลียงกล่าว

[ดียิ่งขึ้น - วิธีการนี้สามารถขยายไปถึงวัสดุแบตเตอรี่อื่น ๆ ได้ "

ผู้เขียนร่วมของ Ansto คนอื่น ๆ ได้แก่ Dr Anita D`Angelo, Dr Bernt Johannessen, Dr Lars Thomsen และ Prof Vanessa Peterson

สถาบันที่ทำงานร่วมกันรวมถึง มหาวิทยาลัยแอดิเลด , มหาวิทยาลัยเซอร์เรย์ (สหราชอาณาจักร) และสถาบันวิจัยเทคโนโลยีอุตสาหกรรม (ไต้หวัน)

ดร. เหลียงซึ่งปัจจุบันดำรงตำแหน่งที่มหาวิทยาลัยแอดิเลดได้รับรางวัลการวิจัยระดับบัณฑิตศึกษาจาก สถาบันวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์แห่งออสเตรเลียและวิศวกร G (AINSE)

ประเด็นสำคัญ

• การแนะนำการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลโมเลกุลใหม่ช่วยปรับปรุงความเสถียรของโครงสร้างของวัสดุแคโทดที่มีแนวโน้มสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
• การเติมด้วยเจอร์เมเนียมแสดงให้เห็นถึงความเสถียรของโครงสร้างที่เหนือกว่าเช่นเดียวกับการลดโพลาไรซ์แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้นและแรงดันไฟฟ้าสูงในวัสดุ
• ทีมงานต่างประเทศที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันการควบคุมตัวและวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่มหาวิทยาลัย Wollongong ใช้เทคนิคต่าง ๆ ที่ ANSTO'S Australian Synchrotron และศูนย์การกระเจิงนิวตรอนของออสเตรเลียเพื่ออธิบายการปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล