I ricercatori hanno fatto un passo avanti nella comprensione del meccanismo di stabilizzazione delle strutture superficiali nei materiali catodici ad alta capacità e ad alto contenuto di nichel attraverso il doping di un singolo elemento nella loro ricerca collaborativa attraverso l'analisi quantitativa. Il loro lavoro è stato pubblicato sul Chemical Engineering Journal .
Nel tentativo di estendere l’autonomia dei veicoli elettrici, c’è una crescente necessità di materiali catodici con una maggiore capacità di immagazzinare più energia. Il nichel (Ni) è ampiamente utilizzato nelle batterie dei veicoli elettrici grazie alla sua elevata densità di energia. Composti ad alto contenuto di nichel come LiNi0,8 Co0.1 Mn0.1 O2 sono materiali catodici comuni, che vantano un notevole contenuto di nichel.
Tuttavia, quando la concentrazione di nichel aumenta, emerge un fenomeno preoccupante:gli ioni di nichel si infiltrano nello strato di litio scambiando posizione con ioni di nichel e litio di dimensioni simili lungo determinate superfici. Questa eccessiva miscelazione di cationi è stata collegata a una diminuzione delle prestazioni della batteria.
Per affrontare questo problema, la ricerca recente si è concentrata sull’incorporazione di ioni metallici come droganti. Questi cationi metallici sono posizionati all'interno degli strati di metallo di transizione o di litio dei materiali catodici ad alto contenuto di nichel. La precisione dei siti di drogaggio è fondamentale per comprendere il loro effetto sulla stabilità strutturale dei materiali catodici. Tuttavia, la piccola quantità di cationi metallici aggiunti per migliorare le prestazioni del catodo pone difficoltà nell'individuare le loro posizioni esatte e nello studiare il meccanismo di stabilizzazione.
In questa ricerca, il team ha sviluppato una tecnica di intelligenza artificiale con apprendimento profondo per analizzare quantitativamente la miscelazione dei cationi utilizzando immagini della struttura atomica. Hanno combinato questo approccio con la microscopia elettronica su scala atomica (HAADF-STEM), consentendo loro di visualizzare, per la prima volta, la posizione dei droganti metallici di alluminio (Al), titanio (Ti) e zirconio (Zr) a livello submolare concentrazioni (% in moli) nei materiali catodici ad alto contenuto di nichel. Attraverso questo metodo, sono stati in grado di esaminare come questi droganti influenzano la struttura superficiale e le proprietà elettrochimiche del materiale catodico.
L'esame ha rivelato che l'introduzione di tre cationi metallici nello strato di metallo di transizione ha rafforzato i legami tra gli atomi di nichel e di ossigeno, frenando così la miscelazione dei cationi e migliorando la stabilità strutturale. Tra alluminio, titanio e zirconio, tutti hanno contribuito ad aumentare la capacità di scarica e la ritenzione nel materiale catodico di nichel ad alta capacità, con il titanio che mostra l'effetto più pronunciato. Ciò segna la prima valutazione quantitativa e analisi dei difetti di miscelazione dei cationi, un ambito precedentemente limitato all'esame qualitativo.
Il professor Si-Young Choi di POSTECH, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:"Abbiamo sviluppato una tecnologia di deep learning per l'analisi quantitativa della miscelazione dei cationi nei materiali catodici ad alto contenuto di nichel, migliorando l'efficacia dell'analisi strutturale su scala atomica."
"Il nostro obiettivo è gettare le basi per tecnologie che analizzano materiali altamente sensibili, facendo così avanzare la comprensione dei meccanismi di miglioramento delle prestazioni per i materiali catodici di prossima generazione."
Il gruppo di ricerca comprende il professor Si-Young Choi, So-Yeon Kim e Yu-Jeong Yang, Ph.D. candidati, del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH) insieme al Dr. Sungho Choi del Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) e alla Dr. Sora Lee e Chiho Jo di LG Energy Solution.
Ulteriori informazioni: So-Yeon Kim et al, Selettività del sito di drogante singolo in catodi ad alto contenuto di nichel per batterie agli ioni di litio, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869
Informazioni sul giornale: Giornale di ingegneria chimica
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia di Pohang
