(Phys.org) —Pour éviter la décoloration d'une cathode de lithium en couches qui est prometteuse pour une utilisation intensive dans les transports, scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory, Société FEI, et Argonne National Laboratory ont obtenu une vue définitive d'une cathode vierge en lithium, nickel, manganèse, et de l'oxygène. La cathode est connue sous le nom de Li 1.2 Ni 0,2 Mn 0,6 O 2 ou LMNO. La controverse a encerclé ce matériel. Certains déclarent que c'est une solution solide; autres, un composite. Pour aborder ce débat, l'équipe a utilisé une suite d'instruments et a déterminé que le matériau est un composite avec des phases étroitement intégrées où la surface contient des concentrations plus élevées de nickel et de faibles concentrations d'oxygène et de manganèse riche en électrons.

"Si nous voulons améliorer la durée de vie et la capacité de la cathode en couches, nous devons avoir ce type de clarté autour de la structure atomique et de l'ordre possible des cations, " a déclaré le Dr Nigel Browning, le directeur scientifique de l'Initiative d'imagerie chimique du PNNL et un expert en microscopie qui a travaillé sur l'étude.

Le remplacement des voitures à essence par des voitures électriques pourrait réduire jusqu'à 60% la dépendance des États-Unis à l'égard des importations de pétrole, et réduire les émissions nocives jusqu'à 45 %, selon le mix technologique utilisé. La clé est durable, batteries à haute densité énergétique. Les cathodes LMNO innovantes possèdent une tension élevée et une capacité spécifique élevée. Encore, le matériel est loin d'être idéal. Les problèmes de capacité et d'évanouissement de tension sont liés à la structure de la cathode pendant la charge et la décharge. La recherche de caractérisation de l'équipe fournit la base nécessaire aux découvertes nécessaires.

« La demande énergétique toujours croissante de l'information et des transports repose sur les batteries lithium-ion pour le stockage de l'énergie, en raison de leur densité d'énergie relativement élevée et de leur flexibilité de conception. Nous en avons mieux besoin et nous en avons besoin maintenant, qui contribue au principal moteur de création de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie, " a déclaré le Dr Chongmin Wang, expert en imagerie chimique au PNNL et investigateur principal de cette étude.

En utilisant une combinaison de microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration, Spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X, spectroscopie de perte d'énergie électronique, et la simulation d'images multi-tranches complémentaires, l'équipe a sondé Li 1.2 Ni 0,2 Mn 0,6 O 2 nanoparticules. A la surface de la particule, ils ont fait plusieurs découvertes. Une surface avec une caractéristique structurelle unique est susceptible de contenir une concentration plus élevée d'atomes de nickel que le noyau de la particule, tandis que les atomes de manganèse sont plus répandus au cœur qu'à la surface. Les lacunes d'oxygène à la surface de la particule donnent aux atomes de manganèse un état de valence ou une configuration électronique de +2,2 à la surface, tandis que le manganèse au centre de la particule est de +4,0.

"Ce résultat indique une grande variation dans la stoechiométrie locale, " a déclaré le Dr Jun Liu, un expert en matériaux qui a travaillé sur cette étude et qui est également Directeur de la Division Procédés Energétiques et Matériaux du PNNL.

Finalement, chaque particule contient les deux phases parentes du matériau. Le paramètre de réseau et la similitude de la structure cristalline du LiMO en couches 2 phase et le Li en couches 2 MO 3 phase permettent l'intégration structurelle.

« Cette caractérisation détaillée nous a permis d'avoir une vision plus complète du matériau, " a déclaré Wang. " Clarification de la structure du matériau - séparation de phases à l'échelle nanométrique, l'ordre des cations et la formation de lacunes d'oxygène - apporteront sans aucun doute un nouvel éclairage sur le comportement du matériau pendant les performances de la batterie et nous inciteront à améliorer sa fonctionnalité via une synthèse contrôlée.

L'équipe travaille maintenant à comprendre comment le matériau évolue au cours des cycles de charge/décharge.