Um consenso sobre a necessidade de substituir o combustível fóssil por fontes de energia renovável foi alcançado com a maioria dos países em todo o mundo se comprometendo a realizar a neutralidade de carbono antes de 2050. Isso envolverá a diminuição do CO₂ emissões e expandir a proporção de fontes de energia renováveis, como sistemas de baterias recarregáveis, como baterias de íons de lítio, que receberam grande atenção da indústria e da academia. Ainda assim, os desafios no desenvolvimento de LIBs de próxima geração com desempenho aprimorado permanecem devido às limitações de desempenho dos materiais de eletrodos usados ​​atualmente. Para ela Ph.D. pesquisa, Ming Jiang analisou o design do material do eletrodo e os mecanismos de degradação em baterias baseadas em cátodos ricas em níquel.
O gargalo para aumentar a densidade de energia das baterias de íons de lítio (LIBs) é o material do cátodo da bateria. Por exemplo, óxidos de metais de transição ricos em Ni (ricos em níquel) em camadas têm uma densidade de energia relativamente alta, mas sofrem baixa estabilidade de ciclagem. A instabilidade dos LIBs baseados em cátodos ricos em Ni está associada a várias reações passivas que ocorrem dentro das baterias.

Morfologia da nanoestrutura

Estratégias de otimização de materiais podem mitigar esses prejuízos. Para ela Ph.D. pesquisa, Ming Jiang considerou o design do material do eletrodo e os mecanismos de degradação de baterias baseadas em cátodos ricas em Ni. Cátodos NCM ricos em Ni e ânodos Li-metal com desempenho superior da bateria são alcançados por meio dessas novas estratégias de otimização. Os fenômenos de degradação correspondentes são investigados e mecanismos detalhados são identificados.

Jiang projetou um material catódico rico em Ni otimizado com morfologia de nanoestrutura. Com esse design, a estabilidade da bateria e a cinética de transporte de íons de lítio são aprimoradas por meio de um método de fabricação exclusivo. Outras caracterizações afirmam uma alta taxa de exposição de facetas cristalinas específicas, o que é benéfico para a difusão de íons de lítio e a integridade estrutural durante a ciclagem. Além disso, a capacidade aprimorada de carregamento rápido também foi percebida graças à morfologia bem projetada, sugerindo um potencial prático do material proposto.

Processos de deterioração

Além da síntese de novos materiais, Jiang investigou processos de deterioração em sistemas de baterias, pois isso é essencial para impulsionar o desenvolvimento de LIBs. Múltiplas reações passivas ocorrem simultaneamente em uma bateria, como dissolução de cátodo, formação de interfase de eletrólito sólido e microfissuras. Essas reações colaterais consomem íons de lítio ativos e materiais de eletrodos, o que eventualmente faz com que a capacidade da bateria decaia.

Cada parte de um sistema de bateria pode participar de reações passivas, incluindo materiais de eletrodos, ligantes, carbono condutor e outros aditivos. No entanto, é difícil separar cada parte durante um estudo post-mortem para uma configuração de bateria convencional. Portanto, Jiang propôs um cátodo de filme fino com uma estrutura simplificada para investigação de degradação no sistema de baterias catódicas ricas em Ni. Com a técnica de perfilamento de profundidade, a composição da camada passiva e o mecanismo de declínio de desempenho foram estudados em detalhes. A função do revestimento da camada protetora no cátodo rico em Ni também foi investigada.

Além de estudar o material do cátodo, Jiang também explorou a modificação da superfície do ânodo de Li-metal em LIBs baseados em cátodos ricos em Ni. Uma camada de revestimento protetor é introduzida para estabilizar o processo de revestimento/decapagem de lítio durante o ciclo. Isso permite uma vida útil prolongada da bateria e mitiga a formação de camada passiva na superfície do ânodo. As caracterizações post-mortem revelam os diferentes processos de deterioração para vários ânodos de Li-metal, e o possível mecanismo de degradação é estudado na pesquisa. + Explorar mais

Aditivos eletrolíticos reativos melhoram o desempenho da bateria de lítio metálico