Figura. Il·lustració esquemàtica d'un mecanisme subseqüent de (de) litiació en els materials NCM core-shell per càtode durant el primer cicle, mostrant un clar canvi en el volum de la cel·la unitat de la fase rica en níquel a la regió interior d'una partícula secundària respecte a la fase rica en manganès. Ni - blanc; Mn - magenta; Co - blau.
Cerdanyola del Vallès, 21 de setembre de 2020. Els compostos d'intercalació LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM) amb una arquitectura core-shell (nucli-closca o capa externa) semblen ser candidats prometedors per a aplicacions de la següent generació de bateries ió-liti. Les propietats funcionals dels càtodes NCM depenen de les ràtios relatives dels metalls de transició, sent un repte controlar l'estructura real dels materials core-shell de càtode NCM i entendre l'efecte sinèrgic del nucli i la capa externa durant una successió de cicles electroquímics.
Un grup de recerca internacional format per investigadors de l'State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices (University of Electronic Science and Technology of China); l'Institute for Applied Materials (Karlsruhe Institute of Technology, Alemanya); la Technische Universität München i el Sincrotró ALBA, ha desenvolupat una estratègia universal i simple per sintetitzar un material NCM per bateries d'ió-liti, que estan compostes d'un nucli intern ric en níquel (Ni) i una capa externa rica en manganès (Mn). El material combina una alta capacitat elèctrica de la fase rica en Ni i una elevada estabilitat de la fase rica en Mn, proporcionant d'aquesta manera propietats electroquímiques millorades comparades a les de qualsevol d'aquestes fases per separat.
Aquest estudi aporta nous coneixements sobre l'efecte sinèrgic de les dues fases en capes amb morfologia core-shell en el desenvolupament electroquímic de materials de càtode NCM.
Aquests descobriments també ofereixen una nova perspectiva per al disseny racional de materials en capes per càtode basats en níquel amb una alta energia i una llarga vida cíclica amb propietats particulars de dues fases electroquímiques.
El material core-shell es va sintetitzar per coprecipitació seqüencial dels hidròxids del metall de transició, seguida d'una reacció del precursor obtingut amb carbonat de liti. L'estructura cristal·lina del material pur es va determinar a través del refinament simultani de les dades de difracció en pols de raigs-X de sincrotró - presos en la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA - i les dades de difracció en pols de neutrons - a la línia de llum SPODI al Neutron Research Source Heinz Maier (Leibnitz, Alemanya). El mecanisme del procés de càrrega / descàrrega es va analitzar utilitzant difracció en pols de sincrotró in situ - també en la línia de llum MSPD d'ALBA - i espectroscòpia d'absorció de raigs-X in situ - en la línia de llum CLAESS d'ALBA.
Figura. Dades obtingudes en les línies de llum MSPD i CLAESS del Sincrotró ALBA. Mecanisme de (de)litiació dels materials de càtode NCM core-shell durant la successió de cicles. (A) Evolució de la reflexió SRD de l'elèctrode NMC core-shell durant la primera càrrega-descàrrega i el segon procés de càrrega. (B) variació dels paràmetres de xarxa en funció del procés de-litiació i litiació, els paràmetres de xarxa de cada patró SRD revelen una bona estabilitat estructural per a la fase rica en Mn Nr. 2. (c) Espectre XANES in situ en els vòrtexs-K del Ni, Co i Mn del càtode NCM core-shell durant la successió de cicles.
Referència: Weibo Hua, Björn Schwarz, Raheleh Azmi, Marcus Müller, Mariyam Susana Dewi Darma, Michael Knapp, Anatoliy Senyshyn, Michael Heere, Alkesandr Missyul, Laura Simonelli, Joachim R. Binder SylvioIndris, Helmut Ehrenberg. Lithium-ion (de)intercalation mechanism in core-shell layered Li(Ni,Co,Mn)O2 cathode materials. Nano Energy (2020). DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105231
