Nowe spojrzenie na materiały katodowe w akumulatorach nowej generacji
Kryształowa struktura fosforanu litowo-jonowego typu oliwinowego jest bardzo stabilna, co gwarantuje doskonałą stabilność termiczną nawet w wysokich temperaturach. Inne ważne zalety pod względem komercyjnym obejmują brak możliwości przegrzania się lub wybuchu oraz większą trwałość i wyższą gęstość mocy. Ponowne zainteresowanie fosforanami oliwinowymi wynikało z niedawnego odkrycia niezwykłych domen ferrotoroidalnych, które mogą przyczynić się do zwiększenia prędkości zapisu danych. Monokryształy tej obiecującej klasy materiałów są niezwykle rzadkie, głównie z powodu dużej lotności litu. W ramach projektu LICRYSTG (Single-crystalline lithium-based model systems of future materials for electrochemical energy storage and data storage) naukowcy stworzyli niektóre z brakujących monokryształów, a także zdobyli dane doświadczalne, które umożliwią poznanie właściwości sprawiających, że są to materiały katodowe nowej generacji. Zespół z powodzeniem wyhodował wysokiej jakości monokryształy różnych związków litu do dalszego badania anizotropii i ferrotoroidalności. Anizotropowa dyfuzja litu w różnych kierunkach krystalograficznych może pomóc w opracowaniu teoretycznych modeli wydajności i starzenia się akumulatorów. Technika topienia strefowego z użyciem nośnego rozpuszczalnika umożliwiła hodowlę monokryształów systemów litowych pod ciśnieniem zewnętrznym wynoszącym 150 barów. Badania nad lokalnymi zaburzeniami fosforanu manganowo-litowego wywołanymi przez mangan wykazały, dlaczego oliwin manganowy wykazuje stosunkowo słabe właściwości elektrochemiczne. Analiza rozszerzalności termicznej i magnetostrykcji dostarczyła informacji o zmianach strukturalnych i sprzęganiu magnetosprężystym. Dane te zostały podparte badaniami nad ciepłem i magnetyzacją, które dostarczyły dodatkowych informacji na temat jakości kryształu i właściwości elektronicznych. Ponadto zespół opracował diagramy fazy magnetycznej. W przypadku wybranych kryształów ustalono parametry dyfuzji anizotropowej litu wzdłuż głównych osi krystalograficznych. Badania przeprowadzone metodą spektroskopii na fosforanie kobaltowo-litowym dostarczyły informacji na temat krótkozakresowego uporządkowania magnetycznego w wysokich temperaturach. Wyniki projektu są źródłem cennych informacji, które umożliwią optymalizację i dostosowanie nano- i mikrostrukturalnych materiałów akumulatorów litowo-jonowych, dzięki czemu Europa wysunie się na prowadzenie w dziedzinie nowoczesnych technologii akumulatorowych.
Słowa kluczowe
Katoda, akumulatory, oliwin, fosforan litowo-jonowy, monokryształy, dyfuzja litu
