Исследователи разделились на три точки зрения относительно структуры материала, но группа под руководством Альпеша Хушалчанда Шукла и Колина Офуса потратила почти четыре года на анализ материала и пришла к выводу, что наименее популярная теория на самом деле является правильной. Их результаты были опубликованы в Интернете в журнале Nature Communications в статье под названием «Устранение структурных неоднозначностей в оксидах переходных металлов, богатых литием и марганцем."Другими соавторами были ученые Лаборатории Беркли Гоин Чен и Хьюг Дункан, а также ученые SuperSTEM Квентин Рамасс и Фредрик Хаге.
Этот материал важен, потому что емкость аккумулятора потенциально может быть увеличена вдвое по сравнению с наиболее часто используемыми сегодня литий-ионными аккумуляторами из-за дополнительного лития в структуре. «Тем не менее, это не обходится без проблем, таких как падение напряжения, уменьшение емкости и повышение сопротивления постоянному току», – сказал Шукла. «Чрезвычайно важно, чтобы мы четко понимали объемную и поверхностную структуру нетронутого материала. Мы не сможем решить проблему, если не узнаем ее."
Жизнеспособная батарея с заметным увеличением емкости не только встряхнет рынки сотовых телефонов и ноутбуков, но также изменит рынок электромобилей (EV). «Проблема с нынешними литий-ионными батареями, которые сейчас используются в ноутбуках и электромобилях, заключается в том, что они были продвинуты почти настолько далеко, насколько это возможно», – сказал Офус. "Если мы собираемся когда-либо удвоить мощность, нам понадобится новый химический состав."
Используя самые современные методы электронной микроскопии в Национальном центре электронной микроскопии (NCEM) в Молекулярной литейной лаборатории Беркли и в SuperSTEM в Дарсбери, Соединенное Королевство, исследователи получили изображения материала с атомным разрешением.
Поскольку предыдущие исследования неоднозначно относились к структуре, исследователи минимизировали двусмысленность, рассматривая материал с разных направлений или осей зон. «Возможны неправильные интерпретации данных электронной микроскопии, потому что отдельные двухмерные проекции не дают трехмерной информации, необходимой для решения структуры», – сказал Шукла. "Поэтому вам нужно посмотреть на образец во всех возможных направлениях."
Ученые разделились во мнениях относительно того, является ли структура материала одинарной тригональной фазой, двойной фазой или дефектной одиночной моноклинной фазой. «Фаза» материала относится к расположению атомов относительно друг друга; Офус, научный сотрудник Molecular Foundry, объясняет, насколько легко исследователям приходить к разным выводам: «Двухфазная и однофазная модели очень тесно связаны.
Это не похоже на сравнение яблока с апельсином – это больше похоже на сравнение апельсина и грейпфрута издалека. Трудно отличить эти два."
В дополнение к просмотру материала с атомарным разрешением вдоль нескольких осей зон, исследователи приняли еще одно важное решение, а именно: просматривать частицы целиком, а не только их части. «Получение изображений с очень большим полем обзора также имело решающее значение для определения структуры», – сказал Шукла. "Если вы просто посмотрите на одну маленькую часть, вы не сможете сказать, что вся частица имеет такую структуру."
Собирая доказательства, Шукла и Офус достаточно убеждены, что материал действительно однофазный дефектный. «Наша статья очень сильно поддерживает дефектную однофазную моноклинную модель и исключает двухфазную модель, по крайней мере, в диапазоне составов, используемых в нашем исследовании», – сказал Офус, чей опыт в понимании структуры с использованием комбинации вычислительные методы и экспериментальные результаты.
Рамасс, директор SuperSTEM, добавил: «Нам нужно знать, что происходит в атомном масштабе, чтобы понять макроскопическое поведение новых появляющихся материалов, и передовые электронные микроскопы, доступные на национальных объектах, таких как SuperSTEM или NCEM, необходимы для обеспечения уверенности. их потенциал полностью реализован."
Помимо решения структуры объемного материала, которая изучалась другими исследовательскими группами, они также решили структуру поверхности, которая отличается от объемной и состоит всего из нескольких слоев атомов на выбранных кристаллографических гранях. «Внедрение лития начинается на поверхности, поэтому понимание поверхности первозданного материала очень важно», – сказал Шукла.
В дополнение к визуализации STEM (растровая просвечивающая электронная микроскопия), которую они использовали для измерения объема, им пришлось использовать дополнительные методы для определения поверхности, включая EELS (электронная спектроскопия потерь энергии) и XEDS (рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия). «Мы впервые показываем, какая структура поверхности возникает, какой она толщины, как она ориентирована по отношению к объему, и, в частности, на каких гранях поверхностная фаза существует и не существует», – сказал Офус.
Важной частью исследования было количество и качество изученных образцов. Они начали с лабораторных образцов, подготовленных Дунканом, постдоком в лаборатории Чена, химика, чьи исследования сосредоточены на литий-ионных батареях. Они использовали метод расплава солей, который дает высококачественные дискретные первичные частицы, не содержащие примесей, что делает их идеальными кандидатами для проведения фундаментальной характеризации.
Используя консервативный подход, исследователи также решили закупить и проанализировать два коммерческих образца от двух разных компаний.
«Мы могли бы закончить работу на год раньше, но из-за того, что возникло столько разногласий, мы хотели убедиться, что не оставили камня на камне», – сказал Шукла, ученый из отдела хранения энергии и распределенных ресурсов лаборатории Беркли. время, когда он выполнил эту работу, но с тех пор стал консультантом в Envia Systems, продолжая сотрудничать с Berkeley Lab в качестве пользователя Molecular Foundry.
В конце концов, исследование заняло почти четыре года. Ophus называет это «явлением микроскопии» из-за его тщательности.