Специалисты из Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета (оба — США) представили наноструктурные аморфные электроды из оксида титана (TiO₂), которые не только не деградируют при эксплуатации, но даже улучшают свою электрохимическую производительность.

С помощью электрохимического метода учёные приготовили нанотрубки диоксида титана, которые затем были использованы при производстве круглых литиевых батарей. После того как батареи отработали в гальваностатическом режиме между 0,8 В и 2,0 В, образцы электродов были изучены методом рентгеновской дифракции (XRD) и рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS).

Рис. 1. Интеркаляция большого количества литиевых ионов в структуру аморфного анода приводит к фазовому переходу с образованием ёмкой кубической структуры. (Иллюстрация Argonne National Laboratory).

Эти исследования вкупе с компьютерной симуляцией позволили в деталях представить процесс интеркаляции/деинтеркаляции ионов лития в электрохимических нанотрубках TiO₂. Оказалось, что

при высокой концентрации ионов лития (> 75%) в аморфном TiO₂ происходит спонтанное появление дальнего порядка с образованием кубической структуры, которая демонстрирует долгоживущую обратимость и повышенную мощность, которая подкреплена ёмкостью, приближающейся к максимальной стереохимии Li₂Ti₂O₄. Кроме того, анод удивительно стабилен в течение 600 циклов и демонстрирует высокий уровень удельной энергии (200 Вт за час на килограмм электрода) при удельной мощности в 30 кВт на килограмм электрода.

В полноценной литий-ионной ячейке в паре со шпинелевым катодом LiNi_0.5Mn_1.5O₄ новый анод TiO₂ продемонстрировал напряжение, равное 2,8 В, и обратимую удельную ёмкость в 310 мА•ч/г (на сегодня это рекорд).

Таким образом,

предложенный американцами аморфный электрод улучшает свои рабочие характеристики в процессе работы.

Подробнее об исследовании и полученных результатах читайте в Journal of Physical Chemistry C.