Utilizando técnicas de microscopía y espectroscopía complementarias, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Laboratorio Berkeley dicen que han resuelto la estructura de los óxidos de metales de transición ricos en litio y manganeso, un material de batería que puede cambiar el juego y ser objeto de un intenso debate enla década desde que se descubrió.
Los investigadores se dividieron en tres escuelas de pensamiento sobre la estructura del material, pero un equipo dirigido por Alpesh Khushalchand Shukla y Colin Ophus pasó casi cuatro años analizando el material y concluyó que la teoría menos popular es la correcta. Sus resultadosfueron publicados en línea en la revista Comunicaciones de la naturaleza en un artículo titulado "Desentrañando ambigüedades estructurales en óxidos de metales de transición ricos en litio y manganeso". Otros coautores fueron los científicos de Berkeley Lab Guoying Chen y Hugues Duncan y los científicos de SuperSTEM Quentin Ramasse y Fredrik Hage.
Este material es importante porque la capacidad de la batería puede duplicarse potencialmente en comparación con las baterías de iones de litio más utilizadas actualmente debido al litio adicional en la estructura. "Sin embargo, no viene sin problemas, como el desvanecimiento de voltaje,"La capacidad se desvanece y la resistencia de CC aumenta", dijo Shukla. "Es sumamente importante que comprendamos claramente el volumen y la estructura de la superficie del material prístino. No podemos resolver el problema a menos que lo sepamos".
Una batería viable con un marcado aumento en la capacidad de almacenamiento no solo sacudiría los mercados de teléfonos celulares y computadoras portátiles, sino que también transformaría el mercado de vehículos eléctricos EV ". El problema con las baterías actuales de iones de litio que se encuentran en las computadoras portátilesy los EV ahora es que han sido empujados casi tan lejos como pueden ", dijo Ophus." Si alguna vez vamos a duplicar la capacidad, necesitamos nuevas químicas ".
Utilizando técnicas de microscopía electrónica de última generación en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica NCEM en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en SuperSTEM en Daresbury, Reino Unido, los investigadores tomaron imágenes del material a resolución atómica. Debido a que estudios previos hanLos investigadores han minimizado la estructura y minimizan la ambigüedad al observar el material desde diferentes direcciones o ejes de zona ". Las interpretaciones erróneas de los datos de microscopía electrónica son posibles porque las proyecciones bidimensionales individuales no le brindan la información tridimensional necesaria para resolver un problema.estructura ", dijo Shukla." Por lo tanto, debe mirar la muestra en todas las direcciones que pueda ".
Los científicos se han dividido sobre si la estructura del material es una fase trigonal simple, una fase doble o una fase monoclínica simple defectuosa. La "fase" de un material se refiere a la disposición de los átomos entre sí; Ophus, un científico del proyectoen Molecular Foundry, explica cuán fácil es para los investigadores llegar a diferentes conclusiones: "El modelo de dos fases y el de una fase están muy relacionados. No es como comparar una manzana con una naranja, es más como comparar una naranja yuna toronja de muy lejos. Es difícil notar la diferencia entre los dos ".
Además de ver el material a resolución atómica a lo largo de ejes de zonas múltiples, los investigadores tomaron otra decisión importante, es decir, ver partículas enteras en lugar de solo una subsección. "La imagen con campos de visión muy altos también fue fundamental para resolver el problemaestructura ", dijo Shukla." Si solo miras una pequeña parte, no puedes decir que toda la partícula tiene esa estructura ".
Al juntar la evidencia, Shukla y Ophus están bastante convencidos de que el material es realmente una sola fase defectuosa ". Nuestro trabajo brinda un apoyo muy fuerte para el modelo monoclínico monofásico defectuoso y descarta el modelo de dos fases, al menos en elgama de composiciones utilizadas en nuestro estudio ", dijo Ophus, cuya experiencia es comprender la estructura utilizando una combinación de métodos computacionales y resultados experimentales.
Agregó Ramasse, director de SuperSTEM: "Necesitamos saber qué sucede a escala atómica para comprender el comportamiento macroscópico de los nuevos materiales emergentes, y los microscopios electrónicos avanzados disponibles en instalaciones nacionales como SuperSTEM o NCEM son esenciales enasegurándose de que su potencial se realice plenamente "
Además de resolver la estructura del material a granel, que ha sido estudiado por otros grupos de investigación, también resolvieron la estructura de la superficie, que es diferente del volumen y consta de unas pocas capas de átomos en facetas cristalográficas seleccionadas ".La intercalación de litio comienza en la superficie, por lo que comprender la superficie del material prístino es muy importante ", dijo Shukla.
Además de las imágenes STEM microscopía electrónica de transmisión de barrido que utilizaron para el volumen, tuvieron que usar técnicas adicionales para resolver la superficie, incluyendo EELS espectroscopía de pérdida de energía de electrones y XEDS espectroscopía de dispersión de energía de rayos X"Mostramos por primera vez qué estructura de la superficie ocurre, qué tan gruesa es, cómo está orientada en relación con el volumen y, en particular, en qué facetas la fase superficial existe y no existe", dijo Ophus.
Una parte importante del estudio fue la cantidad y calidad de las muestras estudiadas. Comenzaron con muestras hechas en laboratorio, preparadas por Duncan, un postdoctorado en el laboratorio de Chen, un químico cuya investigación se enfoca en baterías de iones de litio.utilizaron un método de sal fundida que produce partículas primarias discretas de alta calidad libres de impurezas, lo que los convierte en candidatos ideales para realizar una caracterización fundamental. Adoptando un enfoque conservador, los investigadores también decidieron adquirir y analizar dos muestras comerciales de dos compañías diferentes.
"Podríamos haber terminado el trabajo un año antes, pero debido a tanta controversia queríamos asegurarnos de no dejar ninguna piedra sin remover", dijo Shukla, científico de la División de Almacenamiento de Energía y Recursos Distribuidos de Berkeley Laben el momento en que realizó este trabajo, pero desde entonces se ha convertido en un científico consultor en Envia Systems mientras continúa afiliado a Berkeley Lab como usuario de la Fundición Molecular.
Al final, tardó casi cuatro años en completar la investigación. Ophus lo llama un "tour de force of microscopy" debido a su minuciosidad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Julie Chao. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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