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È stato raggiunto un consenso sulla necessità di sostituire i combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile con la maggior parte dei paesi in tutto il mondo che si sono impegnati a realizzare la neutralità del carbonio prima del 2050. Ciò comporterà la riduzione di CO2 emissioni e ampliando la proporzione di fonti di energia rinnovabile come i sistemi di batterie ricaricabili, come le batterie agli ioni di litio, che hanno ricevuto un'enorme attenzione da parte dell'industria e del mondo accademico. Tuttavia, le sfide sullo sviluppo di LIB di nuova generazione con prestazioni migliorate rimangono a causa dei limiti delle prestazioni dei materiali per elettrodi attualmente utilizzati. Per il suo dottorato di ricerca ricerca, Ming Jiang ha esaminato la progettazione del materiale degli elettrodi e i meccanismi di degradazione nelle batterie a base di catodo ricche di nichel.
Il collo di bottiglia per aumentare la densità di energia delle batterie agli ioni di litio (LIB) è il materiale del catodo della batteria. Ad esempio, gli ossidi di metalli di transizione stratificati ricchi di Ni (ricchi di nichel) hanno una densità di energia relativamente alta ma soffrono di una scarsa stabilità del ciclo. L'instabilità dei LIB a base di catodo ricchi di Ni è associata a varie reazioni passive che si verificano all'interno delle batterie.
morfologia della nanostruttura
Le strategie di ottimizzazione dei materiali possono mitigare questi danni. Per il suo dottorato di ricerca ricerca, Ming Jiang ha considerato la progettazione del materiale degli elettrodi e i meccanismi di degradazione delle batterie a base di catodo ricche di Ni. I catodi NCM ricchi di Ni e gli anodi Li-metal con prestazioni della batteria superiori si ottengono grazie a queste nuove strategie di ottimizzazione. Vengono studiati i corrispondenti fenomeni di degrado e vengono identificati meccanismi dettagliati.
Jiang ha progettato un materiale catodico ottimizzato ricco di Ni con morfologia della nanostruttura. Con questo design, la stabilità della batteria e la cinetica di trasporto degli ioni di litio sono migliorate attraverso un metodo di fabbricazione unico. Ulteriori caratterizzazioni affermano un elevato rapporto di esposizione di sfaccettature cristalline specifiche, che è benefico per la diffusione degli ioni di litio e l'integrità strutturale durante il ciclo. Inoltre, la migliore capacità di ricarica rapida è stata realizzata anche grazie alla morfologia ben progettata, suggerendo un potenziale pratico del materiale proposto.
Processi di deterioramento
Oltre alla sintesi di nuovi materiali, Jiang ha studiato i processi di deterioramento nei sistemi di batterie poiché ciò è essenziale per stimolare lo sviluppo dei LIB. Reazioni passive multiple si verificano simultaneamente in una batteria, come la dissoluzione del catodo, la formazione di interfase di elettroliti solidi e il microcracking. Queste reazioni collaterali consumano ioni di litio attivi e materiali per elettrodi, il che alla fine fa decadere la capacità della batteria.
Ogni parte di un sistema di batterie può partecipare a reazioni passive, inclusi materiali per elettrodi, leganti, carbone conduttivo e altri additivi. Tuttavia, è difficile separare ciascuna parte durante uno studio post mortem per una configurazione di batteria convenzionale. Pertanto, Jiang ha proposto un catodo a film sottile con una struttura semplificata per l'indagine sul degrado nel sistema di batterie catodiche ricche di Ni. Con la tecnica della profilatura in profondità sono stati studiati in dettaglio la composizione dello strato passivo e il meccanismo di decadimento delle prestazioni. È stata anche studiata la funzione del rivestimento dello strato protettivo sul catodo ricco di Ni.
Oltre a studiare il materiale del catodo, Jiang ha anche esplorato la modifica della superficie dell'anodo di metallo Li in LIB a base di catodo ricchi di Ni. Viene introdotto uno strato di rivestimento protettivo per stabilizzare il processo di placcatura/stripping al litio durante il ciclo. Ciò consente una durata prolungata della batteria e mitiga la formazione di uno strato passivo sulla superficie dell'anodo. Le caratterizzazioni post mortem rivelano i diversi processi di deterioramento per vari anodi Li-metal e nella ricerca viene studiato il possibile meccanismo di degradazione. + Esplora ulteriormente
