За допомогою численних розрахунків хімікам із США вдалося показати, які перехідні метали дозволяють отримувати стійкі спотворені кристалічні структури. У таких кристалах можливе утворення більшої кількості вільних іонів літію, що робить їх перспективними матеріалами для катодів літій-іонних батарей. Дослідження опубліковано в.
Літій-іонні батареї давно є звичним елементом повсякденного життя. Підвищенню їх ефективності було присвячено велику кількість різних досліджень, і багато дослідників вважають, що стелі своєї ефективності вони подібні акумулятори вже досягли. Один із способів ще більше підвищити їх ефективність - використання катодів з розупорядкованою кристалічною структурою. Під упорядкованістю в даному випадку розуміють невеликі спотворення решітки кристала, які дозволяють підвищити число вільних іонів літію всередині нього, і підвищити таким чином ємність батареї.
У кристалічних структурах оксидів або змішаних оксидів перехідних металів, які використовуються як елементи катоду батарей, атоми кисню шикуються по вершинах октаедра навколо атома перехідного металу. Через електронні взаємодії симетрія такого октаедра може порушуватися. У найпростішому випадку спотворення Яна - Теллера це означає сплющування або розтягування октаедра вздовж своєї осі. Однак можливі і більш складні конфігурації. Найбільш складні з таких спотворень призводять до вигину із закручування кисневих октаедрів.
Спотворення кристалічної структури відбувається за рахунок зміни хімічного складу змішаної оксидної системи. Якщо радіус іона металу не відповідає розміру того атома, чию позицію в решітці він зайняв, - це призведе до невеликого порушення симетрії решітки навколо цього атома. А якщо правильні атоми ввести в структуру початкового матеріалу в достатній кількості, то можна накопичити достатню кількість локальних спотворень, щоб змінити і макроскопічні властивості всього матеріалу.
У своїй роботі вчені за допомогою розрахунків з перших принципів фізики показали, як хімічний склад змішаних оксидів перехідних металів впливає на стійких спотворених структур. Вчені розглянули хімічні структури змішаних титанату, нікелату і манганату літію, а також ряду інших солей літію на основі оксидів перехідних металів. Були досліджені три типи структур - слоїсті кристали, кристали з ґратами типу ферриту літію і квазіспромайну структуру. Енергії і структури матеріалів різного складу дослідники отримали за допомогою теорії функціоналу щільності, а спотвореність структури характеризували за допомогою зміщення позицій атомів кисню і перехідного металу щодо їхніх ідеальних позицій у структурі октаедра.
Виявилося, що до найбільш неупорядкованої структури в кожному з трьох випадків призводили найпростіші спотворення типу Яна-Теллера, тобто стиснення і розтягнення октаедрів. При цьому максимально спотворена структура зі ступенем спотворення 60 відсотків виявилася характерною для шару структури купрату літію LiCuO2. У свою чергу, вигинні і закручуючі спотворення призводять до помітного ефекту лише для великих атомів з другого ряду перехідних металів: ніобія, молібдена, рутенії та срібла.
За допомогою численних розрахунків також вдалося показати, що ці спотворення призводять до підвищення енергії електронів всередині кристала і дозволяють в кінцевому підсумку збільшити концентрацію вільних іонів літію в структурі. Таким чином вчені змогли визначити, які структури є найбільш перспективними в якості потенційних матеріалів для катодів літій-іонних акумуляторів з спотвореною (або розупорядкованою) структурою.
Однією з головних проблем сучасних літій-іонних акумуляторів, які можна швидко перезаряджати, є можливість їх загоряння або вибуху. Для того, щоб якось її вирішити, дослідники пропонують або змінювати властивості компонентів, наприклад, підвищуючи пористість катода або змінюючи хімічний склад електроліту, або додають в структуру батарейки додатковий компонент, який виконує функції вогнегасника.