Gli scienziati hanno ottenuto una visione definitiva di un catodo LMNO. Le mappe di spettroscopia a dispersione di energia dei raggi X sono mostrate qui, che indicano la distribuzione di manganese e nichel.
(Phys.org) —Per prevenire lo sbiadimento in un catodo di litio a strati che promette un uso pesante di trasporto, scienziati del Pacific Northwest National Laboratory, Società FEI, e l'Argonne National Laboratory hanno ottenuto una visione definitiva di un catodo incontaminato fatto di litio, nichel, manganese, e ossigeno. Il catodo è noto come Li 1.2 Ni 0.2 mn 0.6 oh 2 o LMNO. La controversia ha circondato questo materiale. Alcuni affermano che è una soluzione solida; altri, un composto. Per affrontare questo dibattito, il team ha utilizzato una suite di strumenti e ha determinato che il materiale è un composito con fasi strettamente integrate in cui la superficie contiene concentrazioni più elevate di nichel e basse concentrazioni di ossigeno e manganese ricco di elettroni.
"Se vogliamo migliorare la durata del ciclo e la capacità del catodo a strati, dobbiamo avere questo tipo di chiarezza intorno alla struttura atomica e al possibile ordinamento dei cationi, " ha detto il dottor Nigel Browning, il Direttore Scientifico della Chemical Imaging Initiative del PNNL e un esperto di microscopia che ha lavorato allo studio.
Sostituire le auto a benzina con quelle elettriche potrebbe far diminuire la dipendenza degli Stati Uniti dalle importazioni di petrolio fino al 60%, e ridurre le emissioni nocive fino al 45%, a seconda del mix tecnologico utilizzato. La chiave è di lunga durata, batterie ad alta densità energetica. Gli innovativi catodi LMNO possiedono alta tensione e alta capacità specifica. Ancora, il materiale è tutt'altro che ideale. I problemi di capacità e sbiadimento della tensione sono legati alla struttura del catodo durante la carica e la scarica. La ricerca sulla caratterizzazione del team fornisce le basi necessarie per le scoperte necessarie.
"La domanda di energia sempre crescente di informazioni e trasporti si basa su batterie agli ioni di litio per l'accumulo di energia, a causa della loro densità di energia relativamente elevata e flessibilità di progettazione. Abbiamo bisogno di meglio e ne abbiamo bisogno ora, che contribuisce alla principale forza trainante per la creazione di nuovi materiali per lo stoccaggio di energia, " ha detto il dottor Chongmin Wang, esperto di imaging chimico al PNNL e investigatore capo di questo studio.
Utilizzando una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione, Spettroscopia a dispersione di energia a raggi X, spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, e simulazione di immagini multi-fetta complementare, la squadra ha sondato Li 1.2 Ni 0.2 mn 0.6 oh 2 nanoparticelle. Sulla superficie della particella, hanno fatto diverse scoperte. Una superficie con una caratteristica strutturale unica tende a contenere una maggiore concentrazione di atomi di nichel rispetto al nucleo della particella, mentre gli atomi di manganese sono più prevalenti nel nucleo rispetto alla superficie. Le vacanze di ossigeno sulla superficie della particella determinano atomi di manganese con uno stato di valenza o una configurazione elettronica di +2,2 sulla superficie, mentre il manganese al centro della particella è +4.0.
"Questo risultato indica una grande variazione nella stechiometria locale, " ha detto il dottor Jun Liu, un esperto di materiali che ha lavorato a questo studio e che è anche Direttore della Divisione Materiali e Processi Energetici del PNNL.
Finalmente, ogni particella contiene entrambe le fasi parentali del materiale. Il parametro reticolare e la somiglianza della struttura cristallina del LiMO . stratificato 2 fase e il Li . stratificato 2 MO 3 fase consentono l'integrazione strutturale.
"Questa caratterizzazione dettagliata ci ha permesso di ottenere un quadro più completo del materiale, "ha detto Wang. "Chiarimento della struttura del materiale—separazione di fase su scala nanometrica, l'ordinamento dei cationi e la formazione di vuoto di ossigeno, indubbiamente illumineranno una nuova luce nel sondare il comportamento del materiale durante le prestazioni della batteria e ci ispireranno a migliorare la sua funzionalità tramite sintesi controllata".
Il team sta ora lavorando per capire come si evolve il materiale durante i cicli di carica/scarica.
