(Phys.org) — Om vervaging te voorkomen in een gelaagde lithiumkathode die veelbelovend is voor zwaar transportgebruik, wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, FEI bedrijf, en Argonne National Laboratory verkregen een definitief beeld van een ongerepte kathode gemaakt van lithium, nikkel, mangaan, en zuurstof. De kathode staat bekend als Li _1.2 Ni _0.2 Mn _0,6 O ₂ of LMNO. Controverse heeft dit materiaal omsingeld. Sommigen stellen dat het een solide oplossing is; anderen, een composiet. Om dit debat aan te gaan, het team gebruikte een reeks instrumenten en stelde vast dat het materiaal een composiet is met nauw geïntegreerde fasen waarbij het oppervlak hogere concentraties nikkel en lage concentraties zuurstof en elektronenrijk mangaan bevat.

"Als we de levensduur en capaciteit van de gelaagde kathode willen verbeteren, we moeten dit soort duidelijkheid hebben over de atomaire structuur en mogelijke kationordening, " zei Dr. Nigel Browning, de Chief Science Officer van het Chemical Imaging Initiative van PNNL en een microscopie-expert die aan het onderzoek heeft meegewerkt.

Het vervangen van door benzine aangedreven auto's door elektrische auto's zou de Amerikaanse afhankelijkheid van olie-import met wel 60% kunnen verminderen, en schadelijke uitstoot met maar liefst 45% te verminderen, afhankelijk van de gebruikte technologische mix. De sleutel is duurzaam, energierijke batterijen. Innovatieve LMNO-kathoden hebben een hoge spanning en een hoge specifieke capaciteit. Nog, het materiaal is verre van ideaal. Problemen met capaciteit en spanningsvervaging houden verband met de structuur van de kathode tijdens het laden en ontladen. Het karakteriseringsonderzoek van het team biedt de basis die nodig is voor de benodigde ontdekkingen.

"De steeds groeiende vraag naar energie voor informatie en transport is afhankelijk van lithium-ionbatterijen voor energieopslag, vanwege hun relatief hoge energiedichtheid en ontwerpflexibiliteit. We hebben het beter nodig en we hebben het nu nodig, die bijdraagt ​​aan de belangrijkste drijvende kracht voor het creëren van nieuwe materialen voor energieopslag, " zei dr. Chongmin Wang, chemische beeldvormingsexpert bij PNNL en hoofdonderzoeker van dit onderzoek.

Met behulp van een combinatie van aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie, Röntgenenergie-dispersieve spectroscopie, elektronen energieverlies spectroscopie, en complementaire multi-slice beeldsimulatie, het team onderzocht Li _1.2 Ni _0.2 Mn _0,6 O ₂ nanodeeltjes. Op het oppervlak van het deeltje, ze deden verschillende ontdekkingen. Een oppervlak met een uniek structureel kenmerk heeft de neiging om een ​​hogere concentratie nikkelatomen te bevatten dan de kern van het deeltje, terwijl mangaanatomen meer voorkomen in de kern dan aan de oppervlakte. Zuurstofvacatures op het oppervlak van het deeltje resulteren in mangaanatomen met een valentietoestand of elektronenconfiguratie van +2,2 op het oppervlak, terwijl het mangaan in het centrum van het deeltje +4,0 is.

"Deze bevinding wijst op een grote variatie in de lokale stoichiometrie, " zei dr. Jun Liu, een materiaaldeskundige die aan dit onderzoek heeft meegewerkt en tevens directeur is van de divisie Energieprocessen en Materialen van PNNL.

Eindelijk, elk deeltje bevat beide ouderfasen van het materiaal. De roosterparameter en kristalstructuurovereenkomst van de gelaagde LiMO ₂ fase en de gelaagde Li ₂ MA ₃ fase zorgen voor de structurele integratie.

"Deze gedetailleerde karakterisering stelde ons in staat een completer beeld van het materiaal te krijgen, " zei Wang. "Opheldering van de structuur van het materiaal - fasescheiding op nanoschaal, kationordening en vorming van zuurstofvacatures - zal ongetwijfeld een nieuw licht werpen op het onderzoeken van hoe het materiaal zich gedraagt ​​tijdens batterijprestaties en zal ons inspireren om de functionaliteit ervan te verbeteren via gecontroleerde synthese."

Het team probeert nu te begrijpen hoe het materiaal evolueert tijdens laad- en ontlaadcycli.