Kredit:Shutterstock
En konsensus om behovet av att ersätta fossila bränslen med förnybara energikällor har uppnåtts med majoriteten av världens länder som lovar att förverkliga koldioxidneutraliteten före 2050. Detta kommer att innebära att minska CO2 utsläpp och utöka andelen förnybara energikällor såsom laddningsbara batterisystem, såsom Li-ion batterier som har fått enorm uppmärksamhet från industri och akademi. Fortfarande kvarstår utmaningar med att utveckla nästa generations LIB:er med förbättrad prestanda på grund av prestandabegränsningarna hos för närvarande använda elektrodmaterial. För hennes Ph.D. forskning, tittade Ming Jiang på elektrodmaterialdesign och nedbrytningsmekanismer i nickelrika katodbaserade batterier.
Flaskhalsen för att öka energitätheten hos Li-ion-batterier (LIB) är batteriets katodmaterial. Till exempel har skiktade Ni-rika (nickelrika) övergångsmetalloxider en relativt hög energitäthet men lider av dålig cyklingsstabilitet. Instabiliteten hos Ni-rika katodbaserade LIB:er är förknippad med olika passiva reaktioner som inträffar inuti batterier.
Nanostrukturmorfologi
Materialoptimeringsstrategier kan mildra dessa nackdelar. För hennes Ph.D. forskning, övervägde Ming Jiang elektrodmaterialdesign och nedbrytningsmekanismer för Ni-rika katodbaserade batterier. Ni-rika NCM-katoder och Li-metallanoder med överlägsen batteriprestanda uppnås genom dessa nya optimeringsstrategier. Motsvarande nedbrytningsfenomen undersöks och detaljerade mekanismer identifieras.
Jiang designade ett optimerat Ni-rikt katodmaterial med nanostrukturmorfologi. Med denna design förbättras batteristabiliteten och Li-jon-transportkinetiken genom en unik tillverkningsmetod. Ytterligare karakteriseringar bekräftar ett högt exponeringsförhållande av specifika kristallfacetter, vilket är fördelaktigt för Li-jondiffusion och strukturell intakthet under cykling. Dessutom har den förbättrade snabbladdningskapaciteten också realiserats tack vare den väldesignade morfologin, vilket antyder en praktisk potential hos det föreslagna materialet.
Försämringsprocesser
Förutom ny materialsyntes undersökte Jiang försämringsprocesser i batterisystem eftersom detta är väsentligt för att öka utvecklingen av LIB. Flera passiva reaktioner inträffar samtidigt i ett batteri, såsom katodupplösning, fast-elektrolyt-interfasbildning och mikrosprickning. Dessa sidoreaktioner förbrukar aktiva Li-joner och elektrodmaterial, vilket så småningom får batterikapaciteten att försämras.
Varje del i ett batterisystem kan delta i passiva reaktioner, inklusive elektrodmaterial, bindemedel, ledande kol och andra tillsatser. Det är dock svårt att separera varje del under en obduktionsstudie för en konventionell batterikonfiguration. Därför föreslog Jiang en tunnfilmskatod med en förenklad struktur för nedbrytningsundersökning i det Ni-rika katodbatterisystemet. Med djupprofileringstekniken har sammansättningen av det passiva lagret och mekanismen för prestandanedgång studerats i detalj. Funktionen av skyddsskiktet på den Ni-rika katoden har också undersökts.
Förutom att studera katodmaterialet, utforskade Jiang också ytmodifieringen av Li-metallanod i Ni-rika katodbaserade LIB. Ett skyddande beläggningsskikt införs för att stabilisera litiumplätering/avskalningsprocessen under cykling. Detta möjliggör förlängd batterilivslängd och mildrar bildningen av passiva skikt på anodytan. Karakteriseringar efter slakt avslöjar olika försämringsprocesser för olika Li-metallanoder, och den möjliga nedbrytningsmekanismen studeras i forskningen. + Utforska vidare
