Skjul og søg mellem atomer:Fund belyser mekanismen af ​​høj-nikkel katoder til lithium-ion batterier

Forskere har gjort et gennembrud i forståelsen af ​​stabiliseringsmekanismen af ​​overfladestrukturer i højkapacitets, høj-nikkel katodematerialer gennem enkelt-element doping i deres kollaborative forskning gennem kvantitativ analyse. Deres arbejde blev offentliggjort i Chemical Engineering Journal .

I søgen efter at udvide rækkevidden af ​​elektriske køretøjer er der et stigende behov for katodematerialer med en højere kapacitet til at lagre mere strøm. Nikkel (Ni) er meget udbredt i batterier til elektriske køretøjer på grund af dets høje energitæthed. Høj-nikkel forbindelser som LiNi_0,8 Co_0,1 Mn_0,1 O₂ er almindelige katodematerialer med et betydeligt nikkelindhold.

Men efterhånden som koncentrationen af ​​nikkel stiger, opstår der et bekymrende fænomen:nikkelioner infiltrerer lithiumlaget ved at udveksle positioner med nikkel og lithiumioner af samme størrelse langs visse overflader. Denne overdrevne kationblanding er blevet forbundet med nedsat batteriydelse.

For at løse dette problem har nyere forskning fokuseret på at inkorporere metalioner som dopingmidler. Disse metalkationer er placeret i overgangsmetal- eller lithiumlagene af katodematerialer med høj nikkel. Præcise dopingsteder er afgørende for at forstå deres effekt på katodematerialernes strukturelle stabilitet. Den lille mængde metalkationer, der tilsættes for at forbedre katodeydelsen, udgør imidlertid udfordringer med at udpege deres nøjagtige placeringer og studere stabiliseringsmekanismen.

I denne forskning udviklede holdet en deep learning AI-teknik til kvantitativt at analysere kationblanding ved hjælp af atomstrukturbilleder. De kombinerede denne tilgang med atom-skala elektronmikroskopi (HAADF-STEM), hvilket gjorde det muligt for dem for første gang at visualisere placeringen af ​​aluminium (Al), titanium (Ti) og zirconium (Zr) metaldoteringer ved sub-molar koncentrationer (mol %) i katodematerialer med høj nikkel. Gennem denne metode var de i stand til at undersøge, hvordan disse dopingmidler påvirker katodematerialets overfladestruktur og elektrokemiske egenskaber.

Undersøgelsen afslørede, at introduktionen af ​​tre metalkationer i overgangsmetallaget styrkede bindingerne mellem nikkel- og oxygenatomer og derved bremse kationblandingen og forbedre den strukturelle stabilitet. Blandt aluminium, titanium og zirconium bidrog alle til øget afladningskapacitet og fastholdelse i nikkelkatodematerialet med høj kapacitet, hvor titanium udviste den mest udtalte effekt. Dette markerer den første kvantitative vurdering og analyse af kationblandingsdefekter, et domæne, der tidligere var begrænset til kvalitativ undersøgelse.

POSTECH-professor Si-Young Choi, der ledede forskningen, udtalte:"Vi udviklede en deep learning-teknologi til kvantitativ analyse af kationblanding i høj-nikkel katodematerialer, hvilket forbedrer effektiviteten af ​​strukturel analyse på atomare skala."

"Vores mål er at lægge grunden til teknologier, der analyserer meget følsomme materialer og derved fremme forståelsen af ​​ydeevneforbedringsmekanismer for næste generations katodematerialer."

Forskerholdet omfatter professor Si-Young Choi, og So-Yeon Kim og Yu-Jeong Yang, Ph.D. kandidater, fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH) sammen med Dr. Sungho Choi fra Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) og Dr. Sora Lee og Chiho Jo fra LG Energy Solution.

Flere oplysninger: So-Yeon Kim et al., Stedselektivitet af enkelt doteringsmiddel i høj-nikkel katoder til lithium-ion batterier, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869

Journaloplysninger: Chemical Engineering Journal

Leveret af Pohang University of Science and Technology