Nikkel adskillelse, rumlig kationfordeling og tæt integrerede faser forekommer i uberørt batterimateriale

(Phys.org) – For at forhindre falmning af en lagdelt lithiumkatode, der lover for tung transport, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, FEI Company, og Argonne National Laboratory opnåede et endeligt billede af en uberørt katode lavet af lithium, nikkel, mangan, og oxygen. Katoden er kendt som Li _1.2 Ni _0,2 Mn _0,6 O ₂ eller LMNO. Kontrovers har omringet dette materiale. Nogle siger, at det er en solid løsning; andre, en komposit. For at tage fat på denne debat, holdet brugte en række instrumenter og fastslog, at materialet er en komposit med tæt integrerede faser, hvor overfladen indeholder højere koncentrationer af nikkel og lave koncentrationer af oxygen og elektronrigt mangan.

"Hvis vi ønsker at forbedre cykluslevetiden og kapaciteten af ​​den lagdelte katode, vi skal have denne type klarhed omkring atomstrukturen og eventuel kationrækkefølge, " sagde Dr. Nigel Browning, Chief Science Officer for PNNL's Chemical Imaging Initiative og en mikroskopiekspert, der arbejdede på undersøgelsen.

Udskiftning af benzindrevne biler med elektriske biler kan mindske USA's afhængighed af olieimport med op til 60 %, og reducere skadelige emissioner med så meget som 45 %, afhængig af den anvendte teknologiske blanding. Nøglen er langtidsholdbar, energitætte batterier. Innovative LMNO-katoder har høj spænding og høj specifik kapacitet. Endnu, materialet er langt fra ideelt. Problemer med kapacitets- og spændingsfading er forbundet med katodens struktur under opladning og afladning. Holdets karakteriseringsforskning giver det nødvendige grundlag for nødvendige opdagelser.

"Det stadigt voksende energibehov til information og transport er afhængig af lithium-ion-batterier til strømlagring, på grund af deres relativt høje energitæthed og designfleksibilitet. Vi har brug for det bedre, og vi har brug for det nu, som bidrager til den vigtigste drivkraft for at skabe nye materialer til energilagring, " sagde Dr. Chongmin Wang, kemisk billeddannelsesekspert ved PNNL og ledende efterforsker i denne undersøgelse.

Ved at bruge en kombination af aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi, Røntgenenergi-dispersiv spektroskopi, elektron energitab spektroskopi, og komplementær multi-slice billedsimulering, holdet undersøgte Li _1.2 Ni _0,2 Mn _0,6 O ₂ nanopartikler. På partiklens overflade, de gjorde flere opdagelser. En overflade med en unik strukturel karakteristik er tilbøjelig til at indeholde en højere koncentration af nikkelatomer end kernen af ​​partiklen, mens manganatomer er mere udbredte i kernen end overfladen. Ilttomrum på partiklernes overflade resulterer i, at manganatomer har en valenstilstand eller elektronkonfiguration på +2,2 på overfladen, mens manganet i partiklens centrum er +4,0.

"Dette fund indikerer en stor variation i den lokale støkiometri, " sagde Dr. Jun Liu, en materialeekspert, der arbejdede på denne undersøgelse, og som også er direktør for PNNL's Energy Processes and Materials Division.

Endelig, hver partikel indeholder begge materialets moderfaser. Gitterparameteren og krystalstrukturens lighed for den lagdelte LiMO ₂ fase og den lagdelte Li ₂ MO ₃ fase giver mulighed for den strukturelle integration.

"Denne detaljerede karakterisering gjorde det muligt for os at få et mere komplet billede af materialet, " sagde Wang. "Afklaring af materialets struktur - faseadskillelse i nanoskala, kation bestilling og ilt ledighed dannelse - vil uden tvivl skinne et nyt lys på at undersøge, hvordan materialet opfører sig under batteriydelse og vil inspirere os til at forbedre dets funktionalitet via kontrolleret syntese."

Holdet arbejder nu på at forstå, hvordan materialet udvikler sig under opladnings-/afladningscyklusser.