Forskare fick en definitiv bild av en LMNO-katod. De röntgenenergidispersiva spektroskopi-kartorna visas här, som indikerar fördelningen av mangan och nickel.
(Phys.org) – För att förhindra blekning i en skiktad litiumkatod som lovar för tunga transporter, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory, FEI Company, och Argonne National Laboratory fick en definitiv bild av en orörd katod gjord av litium, nickel, mangan, och syre. Katoden är känd som Li 1.2 Ni 0,2 Mn 0,6 O 2 eller LMNO. Kontroverser har omringat detta material. Vissa säger att det är en solid lösning; andra, en komposit. För att ta itu med denna debatt, teamet använde en uppsättning instrument och fastställde att materialet är en komposit med tätt integrerade faser där ytan innehåller högre koncentrationer av nickel och låga koncentrationer av syre och elektronrikt mangan.
"Om vi vill förbättra cykellivslängden och kapaciteten för den skiktade katoden, vi måste ha denna typ av klarhet kring atomstrukturen och eventuell katjonordning, " sa Dr Nigel Browning, Chief Science Officer för PNNL:s Chemical Imaging Initiative och en mikroskopiexpert som arbetade med studien.
Att ersätta bensindrivna bilar med eldrivna bilar kan minska USA:s beroende av oljeimport med upp till 60 %, och minska skadliga utsläpp så mycket som 45 %, beroende på vilken teknisk mix som används. Nyckeln är långvarig, energitäta batterier. Innovativa LMNO-katoder har hög spänning och hög specifik kapacitet. Än, materialet är långt ifrån idealiskt. Kapacitets- och spänningsfädningsproblem är kopplade till katodens struktur under laddning och urladdning. Teamets karaktäriseringsforskning ger den grund som behövs för nödvändiga upptäckter.
"Det ständigt växande energibehovet för information och transport är beroende av litiumjonbatterier för energilagring, på grund av deras relativt höga energitäthet och designflexibilitet. Vi behöver det bättre och vi behöver det nu, som bidrar till den främsta drivkraften för att skapa nya material för energilagring, " sa Dr Chongmin Wang, expert på kemisk avbildning vid PNNL och ledande utredare för denna studie.
Med en kombination av aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi, röntgenenergidispersiv spektroskopi, elektronenergiförlustspektroskopi, och kompletterande bildsimulering med flera skivor, laget undersökte Li 1.2 Ni 0,2 Mn 0,6 O 2 nanopartiklar. På partikelns yta, de gjorde flera upptäckter. En yta med en unik strukturell egenskap är benägen att innehålla en högre koncentration av nickelatomer än partikelns kärna, medan manganatomer är vanligare i kärnan än på ytan. Syrevakans på partikelns yta resulterar i att manganatomer har ett valenstillstånd eller elektronkonfiguration på +2,2 på ytan, medan manganet i partikelns centrum är +4,0.
"Detta fynd indikerar en stor variation i den lokala stökiometrin, " sa Dr Jun Liu, en materialexpert som arbetade med denna studie och som också är chef för PNNL:s division för energiprocesser och material.
Till sist, varje partikel innehåller båda materialets moderfaser. Gitterparametern och kristallstrukturlikheten för den skiktade LiMO 2 fas och den skiktade Li 2 MO 3 fas möjliggöra den strukturella integrationen.
"Denna detaljerade karaktäriseringen gjorde det möjligt för oss att få en mer komplett bild av materialet, " sa Wang. "Förtydligande av materialets struktur - fasseparation i nanoskala, katjonordning och syrevakansbildning – kommer utan tvekan att lysa ett nytt ljus på att undersöka hur materialet beter sig under batteriprestanda och kommer att inspirera oss att förbättra dess funktionalitet via kontrollerad syntes."
Teamet arbetar nu för att förstå hur materialet utvecklas under laddnings-/urladdningscykler.
