Onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in het begrijpen van het stabilisatiemechanisme van oppervlaktestructuren in kathodematerialen met een hoge capaciteit en een hoog nikkelgehalte door doping uit één element in hun gezamenlijke onderzoek door middel van kwantitatieve analyse. Hun werk werd gepubliceerd in Chemical Engineering Journal .

In de zoektocht om het rijbereik van elektrische voertuigen te vergroten, is er een groeiende behoefte aan kathodematerialen met een hogere capaciteit om meer energie op te slaan. Nikkel (Ni) wordt veel gebruikt in accu's van elektrische voertuigen vanwege de hoge energiedichtheid. Verbindingen met een hoog nikkelgehalte, zoals LiNi_0,8 Co_0,1 Mn_0,1 O₂ zijn gangbare kathodematerialen met een substantieel nikkelgehalte.

Naarmate de nikkelconcentratie stijgt, doet zich echter een zorgwekkend fenomeen voor:nikkelionen infiltreren de lithiumlaag door langs bepaalde oppervlakken posities uit te wisselen met nikkel- en lithiumionen van vergelijkbare grootte. Deze overmatige vermenging van kationen wordt in verband gebracht met verminderde prestaties van de batterij.

Om dit probleem aan te pakken, heeft recent onderzoek zich gericht op het opnemen van metaalionen als doteermiddelen. Deze metaalkationen worden in de overgangsmetaal- of lithiumlagen van kathodematerialen met een hoog nikkelgehalte geplaatst. Het nauwkeurig bepalen van de dopinglocaties is cruciaal om hun effect op de structurele stabiliteit van de kathodematerialen te begrijpen. De kleine hoeveelheid metaalkationen die wordt toegevoegd om de kathodeprestaties te verbeteren, brengt echter uitdagingen met zich mee bij het vaststellen van hun exacte locaties en het bestuderen van het stabilisatiemechanisme.

In dit onderzoek ontwikkelde het team een ​​deep learning AI-techniek om kationenmenging kwantitatief te analyseren met behulp van atomaire structuurbeelden. Ze combineerden deze aanpak met elektronenmicroscopie op atomaire schaal (HAADF-STEM), waardoor ze voor het eerst de locatie van aluminium (Al), titanium (Ti) en zirkonium (Zr) metaaldoteermiddelen op sub-molaren konden visualiseren. concentraties (mol%) in kathodematerialen met een hoog nikkelgehalte. Via deze methode konden ze onderzoeken hoe deze doteermiddelen de oppervlaktestructuur en elektrochemische eigenschappen van het kathodemateriaal beïnvloeden.

Uit het onderzoek bleek dat de introductie van drie metaalkationen in de overgangsmetaallaag de bindingen tussen nikkel- en zuurstofatomen versterkte, waardoor de vermenging van kationen werd beperkt en de structurele stabiliteit werd verbeterd. Van aluminium, titanium en zirkonium droegen ze allemaal bij aan een verhoogde ontladingscapaciteit en retentie in het nikkelkathodemateriaal met hoge capaciteit, waarbij titanium het meest uitgesproken effect vertoonde. Dit markeert de eerste kwantitatieve beoordeling en analyse van kationmengfouten, een domein dat voorheen beperkt was tot kwalitatief onderzoek.

POSTECH-professor Si-Young Choi, die het onderzoek leidde, verklaarde:"We hebben een deep learning-technologie ontwikkeld voor de kwantitatieve analyse van kationenmenging in kathodematerialen met een hoog nikkelgehalte, waardoor de effectiviteit van structurele analyse op atomaire schaal wordt vergroot."

"Ons doel is om de basis te leggen voor technologieën die zeer gevoelige materialen analyseren, en daarmee het begrip van prestatieverbeteringsmechanismen voor kathodematerialen van de volgende generatie te vergroten."

Het onderzoeksteam bestaat uit professor Si-Young Choi, en So-Yeon Kim en Yu-Jeong Yang, Ph.D. kandidaten, van de afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek van de Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie (POSTECH), samen met Dr. Sungho Choi van het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) en Dr. Sora Lee en Chiho Jo van LG Energy Solution.

Meer informatie: So-Yeon Kim et al., Locatieselectiviteit van een enkele doteerstof in kathodes met een hoog nikkelgehalte voor lithium-ionbatterijen, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869

Journaalinformatie: Tijdschrift voor chemische technologie

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie