एक उपन्यास आणविक कक्षीय बातचीत का परिचय जो लिथियम-आयन बैटरी के लिए कैथोड सामग्री को स्थिर करता है

एक उपन्यास आणविक कक्षीय बातचीत का परिचय जो लिथियम-आयन बैटरी के लिए कैथोड सामग्री को स्थिर करता है।

वोलोंगोंग विश्वविद्यालय में इंस्टीट्यूट फॉर सुपरकंडक्टिंग एंड इलेक्ट्रॉनिक मैटेरियल्स के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में एक बड़ी अंतरराष्ट्रीय टीम ने सत्यापित किया है कि उपन्यास आणविक कक्षीय बातचीत की शुरूआत लिथियम-आयन बैटरी के लिए कैथोड सामग्री की संरचनात्मक स्थिरता में सुधार कर सकती है।

उच्च प्रदर्शन वाले लिथियम-आयन बैटरी के लिए बेहतर कैथोड सामग्री का उत्पादन इलेक्ट्रिक कार उद्योग के लिए एक बड़ी चुनौती है।

Angewandte Chemie में प्रकाशित शोध में, पहले लेखक डॉ। Gemeng Liang, Prof Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang and Associates, Ansto और अन्य तकनीकों में कई क्षमताओं का उपयोग करते हैं, जो इस बात का सबूत प्रदान करते हैं कि एक होनहार कैथोड सामग्री, स्पिनल लिनी 0.5 MN 1.5 O 4 (LNMO), जर्मेनियम के साथ ऑक्सीजन और धातु के उद्धरणों के बीच 4 s- 2 p कक्षीय बातचीत को काफी मजबूत करता है।

डॉ। लियांग।

4 s- 2 p orbital अपेक्षाकृत असामान्य है, लेकिन हमने साहित्य में एक यौगिक पाया जिसमें जर्मेनियम में + 3 का एक वैलेंस स्थिति है, जो एक इलेक्ट्रॉन कॉन्फ़िगरेशन ([AR] 3 D 10 4 S 1 ) को सक्षम करता है जिसमें 4 S संक्रमण है मेटल ऑर्बिटल इलेक्ट्रॉनों को ऑक्सीजन 2 पी ऑर्बिटल में अप्रकाशित इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करने के लिए उपलब्ध है, जो हाइब्रिड 4 एस- 2 पी ऑर्बिटल का उत्पादन करता है।

4 S- 2 P orbital LNMO सामग्री में संरचनात्मक स्थिरता बनाता है, जैसा कि Ansto`s ऑस्ट्रेलियन सिंक्रोट्रॉन और ऑस्ट्रेलियन सेंटर फॉर न्यूट्रॉन बिखरने के साथ-साथ अन्य तरीकों के साथ सिंक्रोट्रॉन और न्यूट्रॉन प्रयोगों का उपयोग करके निर्धारित किया गया है।

टीम ने न्यूट्रॉन और (लैब-आधारित) एक्स-रे पाउडर विवर्तन के साथ-साथ माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया, जो कि FD3¯m स्पेस ग्रुप समरूपता के साथ LNMO संरचना के 16 C और 16 D क्रिस्टलोग्राफिक साइटों पर डोपेड जर्मेनियम के स्थान की पुष्टि करने के लिए था।

जैसा कि जर्मेनियम डोपेंट्स की वैलेंस स्टेट की जांच करना महत्वपूर्ण था, प्रयोगशाला एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) और एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सएएस) माप ऑस्ट्रेलियाई सिंक्रोट्रॉन में किया गया था।

उन्होंने पुष्टि की कि जर्मेनियम डोपेंट्स में +3.56 की औसत वैलेंस स्टेट है, जिसमें जर्मेनियम 16 ​​सी और 16 डी साइट्स क्रमशः +3 और +4 है। घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) गणना के परिणामों ने इस अवलोकन का समर्थन किया।

शोधकर्ताओं ने LNMO युक्त बैटरी के इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन का मूल्यांकन किया और तुलना की कि LNMO वाले 4 S -2 P ऑर्बिटल हाइब्रिडाइजेशन (4S -LNMO के रूप में जाना जाता है) के साथ तुलना की गई। इन आकलन में पाया गया कि 2% जर्मेनियम के साथ डोपिंग ने बेहतर संरचनात्मक स्थिरता में योगदान दिया, साथ ही बैटरी वोल्टेज ध्रुवीकरण, ऊर्जा घनत्व में सुधार और उच्च वोल्टेज आउटपुट को कम किया।

[हम दो सामग्रियों में लिथियम प्रसार कैनेटीक्स को समझना चाहते थे और पाया कि जर्मेनियम को सिस्टम में पेश किए जाने के बाद, सामग्री में लिथियम का प्रसार तेजी से होता है, जिससे तेजी से चार्ज क्षमता की अनुमति मिलती है, "डॉ। लियांग ने कहा।

प्रदर्शन परीक्षण के बाद, डॉ। लियांग ने साइकिलिंग के दौरान सक्रिय सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी के लिए सॉफ्ट एक्स-रे बीमलाइन पर सिंक्रोट्रॉन-आधारित निकट-एज-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (NEXAFS) का उपयोग किया।

बैटरी के खुले सर्किट वोल्टेज पर स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा में 4 एस -2 पी ऑर्बिटल हाइब्रिडाइजेशन-प्रोवेटिंग की स्थिति में 4S-LNMO सामग्री की चोटियों की तीव्रता में उल्लेखनीय वृद्धि पाई गई। उपन्यास 4 के सफल परिचय के आगे सत्यापन एस -2 पी ऑर्बिटल इंटरैक्शन।

[क्योंकि हम अनफिल्ड ऑर्बिटल्स देख सकते हैं, ये भरे हुए ऑर्बिटल्स के लिए एक अलग लेकिन जटिल तरीके से जुड़े हुए हैं, हम इनका उपयोग क्वांटम मैकेनिकल गणनाओं के माध्यम से या इसी तरह की सामग्री की तुलना में सिस्टम के रसायन विज्ञान को बेहतर बनाने में मदद करने के लिए कर सकते हैं, ” सह-लेखक साधन वैज्ञानिक डॉ। ब्रूस कोवी।

NEXAFS डेटा सामग्री में मैंगनीज के व्यवहार का मूल्यांकन करने में भी उपयोगी था।

[हम जानते हैं कि मैंगनीज को इलेक्ट्रोलाइट में भंग करने और संरचना में मैंगनीज +2 और +3 के गठन को बाधित करने से संरचनात्मक गिरावट को रोकने में मदद मिलेगी, "डॉ। लियांग ने कहा।

NEXAFS के परिणामों से पता चला कि 4S-LNMO में केवल MN3+ की मामूली मात्रा और ध्यान देने योग्य MN2+ नहीं था, जो सामग्री की संरचनात्मक स्थिरता को और बढ़ाता है।

ऑस्ट्रेलियाई सिंक्रोट्रॉन में पाउडर विवर्तन बीमलाइन पर ऑपरेंडो प्रयोगों में साइकिल चलाने के दौरान बैटरी के भीतर सामग्री के संरचनात्मक व्यवहार का पता लगाया गया। इन आंकड़ों का उपयोग करते हुए, टीम ने 4S-LNMO में उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज पर एक प्रतिकूल दो-चरण प्रतिक्रिया के दमन की पुष्टि की।

डॉ। लिआंग ने कहा, "ऑर्बिटल हाइब्रिडाइजेशन काफी नई अवधारणा है, लेकिन बैटरी के प्रदर्शन के मुद्दों को हल करने के लिए बहुत आशाजनक है।"

[और भी बेहतर - यह दृष्टिकोण अन्य बैटरी सामग्री के लिए विस्तार योग्य है। "

अन्य एन्स्टो के सह-लेखकों में डॉ। अनीता डी `एंगेलो, डॉ। बर्न जोहानसेन, डॉ। लार्स थॉमसन और प्रोफेसर वैनेसा पीटरसन शामिल थे।

सहयोग करने वाले संस्थानों में एडिलेड विश्वविद्यालय, सरे विश्वविद्यालय (यूके), और औद्योगिक प्रौद्योगिकी अनुसंधान संस्थान (ताइवान) शामिल थे।

डॉ। लियांग, जो वर्तमान में एडिलेड विश्वविद्यालय में एक पद संभालते हैं, को ऑस्ट्रेलियन इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर साइंस एंड इंजीनियरिन जी (ऐनसे) से पोस्ट ग्रेजुएट रिसर्च अवार्ड मिला।

प्रमुख बिंदु

• उपन्यास आणविक कक्षीय बातचीत की शुरूआत ने लिथियम-आयन बैटरी के लिए एक होनहार कैथोड सामग्री की संरचनात्मक स्थिरता में सुधार किया
• जर्मेनियम के साथ डोपिंग में बेहतर संरचनात्मक स्थिरता दिखाई दी, साथ ही कम बैटरी वोल्टेज ध्रुवीकरण, ऊर्जा घनत्व में सुधार, और सामग्री में उच्च वोल्टेज आउटपुट
• यूनिवर्सिटी ऑफ वोलोंगॉन्ग में इंस्टीट्यूट फॉर सुपरकंडक्टिंग एंड इलेक्ट्रॉनिक मैटेरियल्स के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने आणविक ऑर्बिटल इंटरैक्शन को स्पष्ट करने के लिए एंस्टो के ऑस्ट्रेलियन सिंक्रोट्रॉन और ऑस्ट्रेलियन सेंटर फॉर न्यूट्रॉन बिखरने में कई तकनीकों का इस्तेमाल किया।