Modifikation og nedbrydning af Ni-rige katodebaserede Li-ion-batterier

Der er opnået enighed om behovet for at erstatte fossilt brændstof med vedvarende energikilder, og størstedelen af ​​verdens lande forpligter sig til at realisere CO2-neutralitet inden 2050. Dette vil indebære faldende CO₂ emissioner og udvidelse af andelen af ​​vedvarende energikilder såsom genopladelige batterisystemer, såsom Li-ion-batterier, som har fået enorm opmærksomhed fra industrien og den akademiske verden. Alligevel er der stadig udfordringer med at udvikle næste generations LIB'er med forbedret ydeevne på grund af ydeevnebegrænsningerne for aktuelt anvendte elektrodematerialer. For hendes ph.d. forskning, så Ming Jiang på elektrodematerialedesign og nedbrydningsmekanismer i nikkelrige katodebaserede batterier.

Flaskehalsen til at øge energitætheden af ​​Li-ion-batterier (LIB'er) er batteriets katodemateriale. For eksempel har lagdelte Ni-rige (nikkelrige) overgangsmetaloxider en relativt høj energitæthed, men lider af dårlig cyklusstabilitet. Ustabiliteten af ​​Ni-rige katodebaserede LIB'er er forbundet med forskellige passive reaktioner, der forekommer inde i batterier.

Nanostrukturmorfologi

Materialeoptimeringsstrategier kan afbøde disse ulemper. For hendes ph.d. forskning, overvejede Ming Jiang elektrodemateriale design og nedbrydningsmekanismer af Ni-rige katode-baserede batterier. Ni-rige NCM-katoder og Li-metalanoder med overlegen batteriydelse opnås gennem disse nye optimeringsstrategier. De tilsvarende nedbrydningsfænomener undersøges, og detaljerede mekanismer identificeres.

Jiang designede et optimeret Ni-rigt katodemateriale med nanostrukturmorfologi. Med dette design forbedres batteristabiliteten og Li-ion transportkinetikken gennem en unik fremstillingsmetode. Yderligere karakteriseringer bekræfter et højt eksponeringsforhold af specifikke krystalfacetter, hvilket er gavnligt for Li-ion-diffusion og strukturel intakthed under cykling. Desuden er den forbedrede hurtigopladningsevne også blevet realiseret takket være den veldesignede morfologi, hvilket antyder et praktisk potentiale i det foreslåede materiale.

Forringelsesprocesser

Ud over ny materialesyntese undersøgte Jiang forringelsesprocesser i batterisystemer, da dette er afgørende for at sætte skub i udviklingen af ​​LIB'er. Flere passive reaktioner forekommer samtidigt i et batteri, såsom katodeopløsning, fast-elektrolyt-interfase-dannelse og mikro-krakning. Disse sidereaktioner forbruger aktive Li-ioner og elektrodematerialer, hvilket i sidste ende får batterikapaciteten til at henfalde.

Hver del i et batterisystem kan deltage i passive reaktioner, herunder elektrodematerialer, bindemidler, ledende kulstof og andre additiver. Det er dog vanskeligt at adskille hver del under en post mortem undersøgelse for en konventionel batterikonfiguration. Derfor foreslog Jiang en tyndfilm-katode med en forenklet struktur til undersøgelse af nedbrydning i det Ni-rige katodebatterisystem. Med dybdeprofileringsteknikken er sammensætningen af ​​det passive lag og mekanismen for ydeevnenedgang blevet undersøgt i detaljer. Funktionen af ​​beskyttelseslagsbelægningen på den Ni-rige katode er også blevet undersøgt.

Udover at studere katodematerialet, udforskede Jiang også overflademodifikationen af ​​Li-metalanode i Ni-rige katodebaserede LIB'er. Et beskyttende belægningslag er indført for at stabilisere lithiumplettering/strippingsprocessen under cykling. Dette muliggør forlænget batterilevetid og mindsker dannelsen af ​​passivt lag på anodeoverfladen. Post-mortem karakteriseringer afslører de forskellige nedbrydningsprocesser for forskellige Li-metal anoder, og den mulige nedbrydningsmekanisme er undersøgt i forskningen. + Udforsk yderligere

Reaktive elektrolytadditiver forbedrer lithiummetalbatteriets ydeevne