Een team van wetenschappers van de Beijing Synchrotron Radiation Facility aan het Institute of High Energy Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen, de Stanford Synchrotron-stralingslichtbron bij SLAC en Brookhaven National Laboratory gebruikte op synchrotron gebaseerde nanoresolutie-spectrotomografie om een ​​typisch lithiumrijk nikkel-mangaan-kobalt (LirNMC) materiaal (d.w.z., Li _1.2 Ni0. ₁₃ Mn _0,54 Co _0,13 O ₂ ) om de meerlaagse morfologie en de chemische en ruimtelijke afhankelijkheid van zuurstofredoxgedrag te visualiseren.

Deze studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onthult dat de zuurstofredox de diepteafhankelijke overgangsmetaalvalentiestratificatie in LirNMC induceert.

Als een zeer efficiënt energieopslagapparaat, de Li-ion batterij wordt veel gebruikt in elektronische apparaten en elektrische voertuigen. De onderzoeksgemeenschap heeft grote inspanningen geleverd om de elektrochemische prestaties te verbeteren.

De LirNMC gelaagde kathode is een van de veelbelovende kandidaten voor de Li-ion batterij vanwege zijn hogere energiedichtheid. Echter, het lijdt aan spanningsverval tijdens het fietsen. Om dit probleem op te lossen, het is noodzakelijk om het mechanisme voor deze spanningsvervaging te begrijpen.

In dit onderzoek, het team gebruikte spectrotomografie met nanoresolutie om het LirNMC-materiaal op deeltjesniveau in drie dimensies te bestuderen. Dit maakte visualisatie mogelijk van de unieke meerlaagse morfologie van het materiaal met een homogene samenstelling, en de ladingsgeïnduceerde diepte-afhankelijkheid van de valentieverdeling van het overgangsmetaal.

De resultaten van zachte röntgenresonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) en superpartiële fluorescentieopbrengst (sPFY) toonden duidelijk kenmerken van zuurstofredox in het geladen monster (4,8 V in de eerste cyclus). Hoewel zuurstofactiviteit de capaciteit van de kathode kan vergroten, het zal zuurstofleegte genereren rond de overgangsmetaalkationen en hun valenties verminderen. Dit is de reden waarom de overgangsmetaalvalentie van LirNMC een heel ander diepteprofiel heeft dan dat van conventioneel NM in geladen toestand.

Deze studie benadrukt het belang van materiaaltechnologie op deeltjesniveau en een diepteafhankelijke strategie voor compositietechnologie, wat een haalbare manier zou kunnen zijn om het spanningsvervagingsprobleem in LirNMC-kathodes op te lossen.