Le mouvement atomique dans un oxyde cristallin utilisé comme cathode dans les batteries Li-ion a été directement démontré par la microscopie électronique à transmission de pointe, révélant la voie transitoire d'une réaction d'ordre chimique.

Même si deux systèmes cristallins ont une structure cristalline identique avec la même composition globale, leurs propriétés physiques peuvent varier considérablement les unes par rapport aux autres, fortement selon que les atomes composés sont disposés de manière ordonnée ou non. L'identification et le contrôle ultérieur de l'ordre chimique dans les systèmes cristallins à plusieurs composants ont, Donc, été parmi les problèmes centraux de la chimie structurale au cours des dernières décennies. Un certain nombre d'alliages métalliques binaires servent d'exemples prototypiques qui démontrent directement comment le degré d'ordre chimique affecte les propriétés physiques résultantes, comme la résistivité électrique, susceptibilité magnétique, et le comportement de déformation plastique des cristaux. En outre, de nombreuses études notables ont été étendues même à l'élucidation de l'ordre chimique local et à la visualisation du désordre d'échange d'antisites à l'échelle atomique pour une meilleure performance catalytique et une conversion d'énergie/efficacité de stockage.

Le groupe du professeur Sung-Yoon Chung à la Graduate School of EEWS (Énergie, Environnement, L'eau, et la durabilité) à l'Institut avancé coréen des sciences et de la technologie (KAIST) a démontré avec succès comment l'ordre des cations se produit dans le spinelle Li(Mn1.5Ni0.5)O4, qui est un matériau de cathode prometteur pour les batteries Li-ion haute tension. Fournir systématiquement un corpus intégré de preuves expérimentales et théoriques, des techniques combinées ont été utilisées, y compris la microscopie électronique à haute résolution (HREM) et la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) pour les observations directes à l'échelle atomique, capture d'images in situ en STEM et diffraction des rayons X sur poudre à haute température pour des investigations en temps réel, et les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour l'estimation quantitative de la barrière énergétique lors de la commande. En particulier, les mouvements atomiques au cours de la transition d'ordre ont été clairement capturés en temps réel dans STEM.

Un faisceau d'électrons accéléré à haute tension en TEM peut transférer suffisamment d'énergie à un échantillon, et sur cette base, cette approche a été correctement utilisée dans des études in situ récentes pour des observations en temps réel concernant la transformation de phase, grossissement du cristal, et la diffusion des atomes. Dans la présente étude, induire le processus de déplacement atomique et examiner ensuite la formation de défauts ponctuels dans Li(Mn1.5Ni0.5)O4, un faisceau d'électrons convergent intensifié a été appliqué sur des régions étroites dans un cristal désordonné en STEM. Alors qu'aucune variation de structure n'a été observée lors du balayage avec des électrons en mode d'imagerie normal, la fluctuation dynamique de l'intensité de la colonne entre les sites octaédriques a pu être identifiée lorsqu'un faisceau d'électrons avec un courant plus élevé (> 50 pA) a balayé une région confinée de 3 × 3 nm2.

Les résultats de cette étude illustrent que la vitesse à laquelle la transition d'ordre a lieu dépend fortement de la facilité avec laquelle les défauts ponctuels peuvent être induits dans le réseau. En plus d'élucider la voie cinétique pour ordonner la transformation, la présente étude souligne que le rôle des défauts ponctuels dans les cristaux ne se limite pas seulement au transport de masse et de charge en général, mais s'étend même aux transitions de phase, où ces défauts agissent comme un médiateur critique entre deux phases.

Ce travail a été publié dans Angewandte Chemie Édition Internationale (2015, 54, 7963-7967) et a été sélectionné comme couverture intérieure arrière du numéro en raison de l'importance de l'observation directe dans ce domaine en évolution rapide et de grand intérêt.