Vorreiter: Neue Forschung ebnet den Weg zur Energie

Wissenschaft und Technologie

Seit den 1940er Jahren erforschen Wissenschaftler die Verwendung von Nioboxid, insbesondere einer Form von Nioboxid namens T-Nb2O5, zur Herstellung effizienterer Batterien. Dieses einzigartige Material ist für seine Fähigkeit bekannt, Lithium-Ionen, die winzigen, geladenen Teilchen, die Batterien zum Funktionieren bringen, in sich schnell bewegen zu lassen. Je schneller sich diese Lithium-Ionen bewegen können, desto schneller kann eine Batterie geladen werden.

Die Herausforderung bestand jedoch schon immer darin, dieses Nioboxidmaterial zu dünnen, flachen Schichten oder „Filmen“ wachsen zu lassen, die qualitativ hochwertig genug sind, um in praktischen Anwendungen verwendet zu werden. Dieses Problem ergibt sich aus der komplexen Struktur von T-Nb2O5 und der Existenz vieler ähnlicher Formen oder Polymorphe von Nioboxid.

In einem in Nature Materials veröffentlichten Artikel haben Mitglieder der Forschungsgruppe von Andrew Rappe an der University of Pennsylvania mit Forschern des Max-Planck-Instituts und der University of Cambridge zusammengearbeitet und erfolgreich das Wachstum hochwertiger einkristalliner Schichten aus T-Nb2O5 demonstriert. so ausgerichtet, dass sich Lithium-Ionen deutlich schneller bewegen können.

„Dieser dramatische Wandel ermöglicht eine Reihe potenzieller Anwendungen, vom Hochgeschwindigkeitsladen von Batterien bis hin zu energieeffizientem Rechnen und mehr“, sagt Rappe.

„Unsere herkömmlichen Modalitäten der Lithiumspeicherung in Kathoden basieren normalerweise auf einem Rekristallisationsprozess, der dazu neigt, die Struktur zu beeinträchtigen, wie wir sie in heutigen Batterien sehen“, sagt Co-Autor Zhen Jiang, ein ehemaliger Postdoktorand der Rappe-Gruppe.

Aaron Schankler, ein Doktorand an der School of Arts & Sciences, fügt hinzu: „Das Team von Max Planck und der Universität Cambridge hat einen Weg gefunden, Lithiumionen so zu bewegen, dass die Kristallstruktur nicht gestört wird unseres T-Nb2O5-Dünnfilms und wir haben dabei geholfen, zu verstehen, warum die Ionen schnell und reversibel ein- und auswandern können.“

Rappe vergleicht T-Nb2O5 mit einer mehrstöckigen Parkstruktur, bei der die Lithiumionen Autos sind und die Struktur von T-Nb2O5 offene Kanäle oder Rampen bildet, die es den Autos ermöglichen, sich zwischen den Ebenen auf und ab zu bewegen.

„Indem unser Team das T-Nb2O5 so wachsen ließ, dass diese Kanäle vertikal oder ‚auf und ab‘ verlaufen, ermöglichte es unser Team, dass sich die Lithiumionen deutlich schneller bewegen, wodurch durch das Einfügen schnelle und kolossale Änderungen der elektrischen Eigenschaften dünner Filme möglich wurden die Lithiumionen zwischen Atomen im Minuspol unseres Systems“, sagt Erstautor Hyeon Han vom Max-Planck-Institut.

Rappe weist darauf hin, dass die Forscher der Universität Cambridge eng mit seinem Team zusammengearbeitet und mehrere bisher unbekannte Übergänge in der Struktur des Materials entdeckt haben, als sich die Konzentration der Lithiumionen änderte.

Diese Übergänge verändern die elektronischen Eigenschaften des Materials und ermöglichen ihm, von einem Isolator zu einem Metall zu werden, was bedeutet, dass es elektrischen Strom nicht mehr blockiert, sondern ihn leitet. Dies ist eine dramatische Veränderung; der spezifische Widerstand des Materials nimmt um den Faktor 100 Milliarden ab.

Das Team von Penn entwickelte die rechnerische Arbeit zur Theoriebildung der Bedingungen, die erforderlich sind, um die Stabilität von Übergängen hervorzurufen, und zwar mithilfe von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie, einer quantenmechanischen Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Vielteilchensystemen, insbesondere von Atomen, Molekülen usw kondensierte Phasen. Rappe sagt, dass das Team mit dieser Methode das Materialverhalten unter verschiedenen Bedingungen berechnen und vorhersagen konnte.

Er sagt, die theoretischen Berechnungen hätten dabei geholfen, die beobachteten multiplen Phasenübergänge zu verstehen und herauszufinden, wie diese Phasen mit der Konzentration der Lithiumionen und ihrer Anordnung innerhalb der Kristallstruktur zusammenhängen könnten. Dieses Verständnis wiederum ermöglichte es den Forschern, die elektronischen Eigenschaften der T-Nb2O5-Dünnfilme effektiv zu kontrollieren und zu manipulieren.

„Atomistische Simulationsrechnungen haben große Vorteile bei der Weiterentwicklung der Grundlagen der Wissenschaft im akademischen Bereich, aber auch bei verschiedenen Technologien in der Industrie“, sagt Arvin Kakekhani, ein ehemaliger Postdoktorand der Rappe-Gruppe. „Diese Arbeit zeigt, wie diese Berechnungen Experimente ergänzen und die Rolle der Lithiumdiffusion auf die elektrischen Eigenschaften wichtiger Festkörperbatterien und elektronischer Materialien verdeutlichen können.“

„Die Möglichkeit, die Ausrichtung dieser Filme zu steuern, ermöglicht es uns, den richtungsabhängigen Transport in dieser technologisch wichtigen Materialklasse zu erforschen, was für das Verständnis der Funktionsweise dieser Materialien von grundlegender Bedeutung ist“, sagt Clare P. Gray von der University of Cambridge.

Durch die Manipulation dieser Phasenübergänge zeigten die Forscher, dass sie die elektronischen Eigenschaften dieser dünnen Filme wiederholt und zuverlässig steuern konnten. Darüber hinaus konnten sie durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung der „Gate“-Elektrode, einer Komponente, die den Ionenfluss in einem Gerät steuert, die Spannung einstellen, bei der das Material metallisch wird, und so die möglichen Anwendungen weiter erweitern.

„Diese Forschung ist ein Beweis für die Kraft interdisziplinärer Zusammenarbeit und unstillbarer wissenschaftlicher Neugier“, sagt Stuart SP Parkin vom Max-Planck-Institut. „Unser Verständnis von T-Nb2O5 und ähnlichen komplexen Materialien wurde dramatisch verbessert und stellt die Weichen für eine nachhaltigere und effizientere Zukunft.“

Andrew M. Rappe ist Blanchard-Professor für Chemie im Department of Chemistry der School of Arts & Sciences, mit einer sekundären Anstellung im Department of Materials Science and Engineering der School of Engineering and Applied Sciences. Er ist außerdem Co-Leiter des Vagelos Integrated Program in Energy Research an der University of Pennsylvania.

Zhen Jiang und Arvin Kakekhani sind ehemalige Postdoktoranden in der Rappe-Gruppe an der School of Arts & Sciences in Penn.

Aaron Schankler ist Doktorand an der School of Arts & Sciences in Penn.

Hyeon Han ist Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle, Deutschland.

Clare Philomena Gray ist Geoffrey Moorhouse Gibson-Professorin am Fachbereich Chemie der Universität Cambridge und Fellow des Pembroke College in Cambridge.

Stuart SP Parkin ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle, Deutschland, und Alexander von Humboldt-Professor an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.

Diese Forschung wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant 737109) unterstützt; Alexander von Humboldt-Stiftung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung; US-Energieministerium, Office of Science, Basic Energy Sciences (Auszeichnung DE-SC0019281); CATMAT-Projekt der Faraday Institution (FIRG016); Büro für Marineforschung, (Grant N00014-20-1-2701); National Energy Research Scientific Computing Center des Energieministeriums und das High-Performance Computing Modernization Office (HPCMO) des US-Verteidigungsministeriums.