Geavanceerde elektronenmicroscopie onthult kristaltransformaties op nanoschaal die degradatie van lithiumbatterijen veroorzaken

Moderne energietechnologieën zijn essentieel om te voldoen aan de groeiende mondiale vraag naar elektriciteit, aangedreven door de snelle industrialisatie en de mondiale transitie naar hernieuwbare energie. Onder deze technologieën spelen oplaadbare lithium-ionbatterijen (LIB’s) een cruciale rol bij het voeden van apparaten, van draagbare elektronica tot elektrische voertuigen.

Om hun prestaties en energiedichtheid te verbeteren, vertrouwen onderzoekers steeds meer op hoogspanningskathodematerialen (>4,2 V vs. Li/Li⁺), die per laadcyclus meer energie kan leveren. Het werken bij dergelijke spanningen brengt echter uitdagingen met zich mee: kathoden van lithiumkobaltoxide (LiCoO₂, LCO) hebben vaak last van structurele degradatie en de vorming van ongewenste fasen die het transport van lithiumionen belemmeren. Het begrijpen van deze fasetransformaties op het kathode-elektrolytgrensvlak is daarom essentieel voor het ontwikkelen van duurzamere, beter presterende LIB’s.

Om deze uitdaging aan te gaan, heeft professor Yoshifumi Oshima van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), samen met hoofddocent Kohei Aso van JAIST, Dr. Takuya Masuda van het National Institute for Materials Science, Japan, en professor Masaaki Hirayama van het Institute of Science Tokyo, een nieuwe elektronenmicroscopietechniek ontwikkeld die bekend staat als cepstral matching analyse (CMA).

Zoals prof. Oshima uitlegt: “Deze methode maakt visualisatie van structuren op nanoschaal mogelijk met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 1 nm, terwijl er minimale schade aan het monster wordt veroorzaakt, een combinatie die voorheen onbereikbaar was met conventionele beeldvorming.”

Wanneer toegepast op LCO-kathodes met hoge spanning, onthulde CMA dat, hoewel het grootste deel zijn gelaagde structuur grotendeels behield, fasen van het spinel- en steenzouttype naar voren kwamen in de bovenste ongeveer 3 nm van het elektrolytgrensvlak – structuren waarvan bekend is dat ze bijdragen aan degradatie. Deze studie was gepubliceerd in het journaal Nano-brieven op 21 oktober 2025.

De onderzoekers combineerden scanning nanobeam elektronendiffractie (SNED) met CMA om structurele informatie uit de diffractiegegevens vast te leggen onder een ultralage elektronendosis (ongeveer 3 x 10³ e⁻ nm⁻²), bijna twee ordes van grootte lager dan die gebruikt bij conventionele methoden. Deze aanpak verminderde de door de straal veroorzaakte schade terwijl een hoge ruimtelijke resolutie (ongeveer 1 nm) behouden bleef.

Diffractiepatronen verzameld over epitaxiale dunne LCO-films – gekozen vanwege hun uniforme kristaloriëntatie en minimale mechanische defecten – werden omgezet in cepstra en vergeleken met gesimuleerde referenties voor gelaagde, spinel- en steenzoutfasen. Dit proces minimaliseerde artefacten veroorzaakt door het kantelen van het monster, diktevariaties en buigen, waardoor nauwkeurige, schadearme mapping van transformaties op nanoschaal mogelijk werd.

CMA identificeerde verschillende LCO-domeinen in de epitaxiale films. De bovenste 1 à 3 nm nabij het elektrolytgrensvlak vertoonde fasetransformaties – ongeveer 1 à 2 nm van het kathodeoppervlak omgezet in fasen van het steenzouttype, waarbij op bepaalde facetten spinelachtige contrasten verschenen. Hoewel de bulkstructuur gelaagd bleef, belemmerden deze grensvlaktransformaties het transport van lithiumionen en droegen ze bij aan capaciteitsvervaging.

De SNED-CMA-methode heeft verschillende belangrijke voordelen opgeleverd. De lage elektronendosis bewaarde kwetsbare batterijmaterialen. Cepstral-transformatie corrigeerde verder de effecten van de kanteling en dikte van het monster, waardoor de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid werd verbeterd.

Naast de directe bevindingen benadrukt prof. Oshima het bredere potentieel van de methode: “Deze techniek kan beschermende coatings en elementaire dopingstrategieën evalueren die structurele veranderingen aan het grensvlak onderdrukken. Het is ook toepasbaar op kathodematerialen van de volgende generatie, waaronder nikkel-mangaan-kobalt gelaagde oxiden, lithiumrijke gelaagde oxiden en volledig vaste-stofbatterijen, waarbij transformaties op nanoschaal een kritische invloed hebben op de prestaties.”

Deze studie markeert een belangrijke stap voorwaarts in beeldvorming met lage schade en hoge resolutie van grensvlakfasetransformaties in energiematerialen. De opgedane inzichten kunnen richting geven aan het ontwerp van lithium-ionbatterijen met een langere levensduur en hogere energiedichtheden, ter ondersteuning van alledaagse toepassingen zoals smartphones met een langere levensduur en elektrische voertuigen met een grotere actieradius.

Bovendien is de aanpak veelbelovend voor het bestuderen van andere apparaten die afhankelijk zijn van ionengeleiding en structurele stabiliteit, waaronder gassensoren, atoomschakelaars en brandstofcellen, waardoor de materiaalwetenschap op nanoschaal wordt overbrugd met energietechnologieën van de volgende generatie.