Er is een consensus bereikt over de noodzaak om fossiele brandstoffen te vervangen door hernieuwbare energiebronnen, waarbij de meeste landen wereldwijd toezeggen om vóór 2050 koolstofneutraliteit te realiseren. Dit betekent een vermindering van CO₂ emissies en uitbreiding van het aandeel van hernieuwbare energiebronnen, zoals oplaadbare batterijsystemen, zoals Li-ionbatterijen, die enorme aandacht hebben gekregen van de industrie en de academische wereld. Toch blijven er uitdagingen bij het ontwikkelen van LIB's van de volgende generatie met verbeterde prestaties vanwege de prestatiebeperkingen van momenteel gebruikte elektrodematerialen. Voor haar Ph.D. onderzoek, Ming Jiang keek naar het ontwerp van elektrodemateriaal en degradatiemechanismen in nikkelrijke, op kathode gebaseerde batterijen.

Het knelpunt bij het verhogen van de energiedichtheid van Li-ionbatterijen (LIB's) is het batterijkathodemateriaal. Gelaagde Ni-rijke (nikkelrijke) overgangsmetaaloxiden hebben bijvoorbeeld een relatief hoge energiedichtheid maar lijden aan een slechte cyclusstabiliteit. De instabiliteit van op Ni-rijke kathode gebaseerde LIB's wordt geassocieerd met verschillende passieve reacties die plaatsvinden in batterijen.

Nanostructuurmorfologie

Strategieën voor materiaaloptimalisatie kunnen deze nadelen verminderen. Voor haar Ph.D. onderzoek, Ming Jiang beschouwde het ontwerp van elektrodemateriaal en degradatiemechanismen van op Ni-rijke kathode gebaseerde batterijen. Ni-rijke NCM-kathoden en Li-metaalanoden met superieure batterijprestaties worden bereikt door deze nieuwe optimalisatiestrategieën. De bijbehorende degradatieverschijnselen worden onderzocht en gedetailleerde mechanismen worden geïdentificeerd.

Jiang ontwierp een geoptimaliseerd Ni-rijk kathodemateriaal met nanostructuurmorfologie. Met dit ontwerp worden de batterijstabiliteit en de transportkinetiek van Li-ionen verbeterd door een unieke fabricagemethode. Verdere karakteriseringen bevestigen een hoge blootstellingsratio van specifieke kristalfacetten, wat gunstig is voor Li-ion-diffusie en structurele intactheid tijdens fietsen. Bovendien is het verbeterde snellaadvermogen ook gerealiseerd dankzij de goed ontworpen morfologie, wat een praktisch potentieel van het voorgestelde materiaal suggereert.

Verslechteringsprocessen

Naast de synthese van nieuwe materialen, onderzocht Jiang verslechteringsprocessen in batterijsystemen, omdat dit essentieel is voor het stimuleren van de ontwikkeling van LIB's. Meerdere passieve reacties vinden gelijktijdig plaats in een batterij, zoals kathodeoplossing, vorming van vaste elektrolyt-interfasen en microscheurtjes. Deze nevenreacties verbruiken actieve Li-ionen en elektrodematerialen, waardoor de batterijcapaciteit uiteindelijk afneemt.

Elk onderdeel in een batterijsysteem kan deelnemen aan passieve reacties, inclusief elektrodematerialen, bindmiddelen, geleidende koolstof en andere additieven. Het is echter moeilijk om elk onderdeel te scheiden tijdens een postmortaal onderzoek voor een conventionele batterijconfiguratie. Daarom stelde Jiang een dunnefilmkathode voor met een vereenvoudigde structuur voor onderzoek naar degradatie in het Ni-rijke kathodebatterijsysteem. Met de diepteprofileringstechniek zijn de samenstelling van de passieve laag en het mechanisme van prestatievermindering in detail bestudeerd. De functie van de beschermlaag op de Ni-rijke kathode is ook onderzocht.

Naast het bestuderen van het kathodemateriaal, onderzocht Jiang ook de oppervlaktemodificatie van Li-metaalanode in op Ni-rijke kathode gebaseerde LIB's. Er wordt een beschermende coatinglaag aangebracht om het lithiumplaterings-/stripproces tijdens het fietsen te stabiliseren. Dit zorgt voor een langere levensduur van de batterij en vermindert de vorming van passieve lagen op het anode-oppervlak. Post-mortem karakteriseringen onthullen de verschillende degradatieprocessen voor verschillende Li-metaalanoden, en het mogelijke degradatiemechanisme wordt bestudeerd in het onderzoek. + Verder verkennen

Reactieve elektrolytadditieven verbeteren de prestaties van lithium-metaalbatterijen