Forskare har gjort ett genombrott för att förstå stabiliseringsmekanismen för ytstrukturer i katodmaterial med hög kapacitet och hög nickel genom enkelelementsdopning i sin forskningssamverkan genom kvantitativ analys. Deras arbete publicerades i Chemical Engineering Journal .
I strävan att utöka räckvidden för elfordon finns det ett växande behov av katodmaterial med högre kapacitet att lagra mer kraft. Nickel (Ni) används ofta i elbilsbatterier på grund av sin höga energitäthet. Högnickelföreningar som LiNi0,8 Co0.1 Mn0,1 O2 är vanliga katodmaterial, som har en betydande nickelhalt.
Men när koncentrationen av nickel stiger uppstår ett bekymmersamt fenomen:nickeljoner infiltrerar litiumskiktet genom att byta positioner med liknande stora nickel och litiumjoner längs vissa ytor. Denna överdrivna katjonblandning har kopplats till försämrad batteriprestanda.
För att ta itu med denna fråga har den senaste tidens forskning fokuserat på att införliva metalljoner som dopmedel. Dessa metallkatjoner placeras i övergångsmetall- eller litiumskikten i katodmaterial med hög nickelhalt. Exakta dopningsställen är avgörande för att förstå deras effekt på katodmaterialens strukturella stabilitet. Den lilla mängden metallkatjoner som tillsätts för att förbättra katodprestanda innebär dock utmaningar när det gäller att fastställa deras exakta placeringar och studera stabiliseringsmekanismen.
I denna forskning utvecklade teamet en djupinlärningsteknik för AI för att kvantitativt analysera katjonblandning med hjälp av atomstrukturbilder. De kombinerade detta tillvägagångssätt med elektronmikroskopi i atomskala (HAADF-STEM), vilket gjorde att de för första gången kunde visualisera platsen för aluminium (Al), titan (Ti) och zirkonium (Zr) metalldopämnen vid sub-molar. koncentrationer (mol %) i katodmaterial med hög nickelhalt. Genom denna metod kunde de undersöka hur dessa dopämnen påverkar katodmaterialets ytstruktur och elektrokemiska egenskaper.
Undersökningen avslöjade att införandet av tre metallkatjoner i övergångsmetallskiktet stärkte bindningarna mellan nickel- och syreatomer, och därigenom bromsade katjonblandningen och förbättrade strukturell stabilitet. Bland aluminium, titan och zirkonium bidrog alla till ökad urladdningskapacitet och retention i nickelkatodmaterialet med hög kapacitet med titan som uppvisade den mest uttalade effekten. Detta markerar den första kvantitativa bedömningen och analysen av katjonblandningsdefekter, en domän som tidigare var begränsad till kvalitativ undersökning.
POSTECH Professor Si-Young Choi som ledde forskningen sa:"Vi utvecklade en djupinlärningsteknik för kvantitativ analys av katjonblandning i högnickelkatodmaterial, vilket förbättrar effektiviteten av strukturanalys i atomskala."
"Vårt mål är att lägga grunden för teknik som analyserar mycket känsliga material, och därigenom främja förståelsen av prestandaförbättringsmekanismer för nästa generations katodmaterial."
I forskargruppen ingår professor Si-Young Choi, och So-Yeon Kim och Yu-Jeong Yang, Ph.D. kandidater, från institutionen för materialvetenskap och teknik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) tillsammans med Dr. Sungho Choi från Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) och Dr. Sora Lee och Chiho Jo från LG Energy Solution.
Mer information: So-Yeon Kim et al, Platsselektivitet för enstaka dopant i högnickelkatoder för litiumjonbatterier, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869
Journalinformation: Chemical Engineering Journal
Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology
