Esconde-esconde entre átomos:descobertas iluminam o mecanismo de cátodos com alto teor de níquel para baterias de íons de lítio

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Representação esquemática da composição estrutural de um material catódico com alto teor de níquel e descobertas da análise quantitativa da mistura de cátions na superfície de um material catódico com alto teor de níquel conduzida por meio de HAADF-STEM em conjunto com aprendizado profundo. Crédito:POSTECH

Os pesquisadores fizeram um avanço na compreensão do mecanismo de estabilização de estruturas de superfície em materiais catódicos de alta capacidade e alto teor de níquel por meio da dopagem de elemento único em sua pesquisa colaborativa por meio de análise quantitativa. O trabalho deles foi publicado no Chemical Engineering Journal .

Na busca por ampliar a autonomia dos veículos elétricos, há uma necessidade crescente de materiais catódicos com maior capacidade de armazenar mais energia. O níquel (Ni) é amplamente utilizado em baterias de veículos elétricos devido à sua alta densidade de energia. Compostos com alto teor de níquel como LiNi_0,8 Co_0,1 Mn_0,1 O₂ são materiais catódicos comuns, apresentando um conteúdo substancial de níquel.

No entanto, à medida que a concentração de níquel aumenta, surge um fenómeno preocupante:os iões de níquel infiltram-se na camada de lítio trocando de posição com iões de níquel e lítio de tamanho semelhante ao longo de certas superfícies. Essa mistura excessiva de cátions tem sido associada à diminuição do desempenho da bateria.

Para resolver este problema, pesquisas recentes concentraram-se na incorporação de íons metálicos como dopantes. Esses cátions metálicos são colocados dentro das camadas de metal de transição ou lítio de materiais catódicos com alto teor de níquel. A precisão dos locais de dopagem é crucial para compreender o seu efeito na estabilidade estrutural dos materiais catódicos. No entanto, a pequena quantidade de cátions metálicos adicionados para melhorar o desempenho do cátodo apresenta desafios na identificação de suas localizações exatas e no estudo do mecanismo de estabilização.

Nesta pesquisa, a equipe desenvolveu uma técnica de IA de aprendizagem profunda para analisar quantitativamente a mistura de cátions usando imagens de estrutura atômica. Eles combinaram essa abordagem com microscopia eletrônica em escala atômica (HAADF-STEM), permitindo-lhes visualizar, pela primeira vez, a localização de dopantes metálicos de alumínio (Al), titânio (Ti) e zircônio (Zr) em submolares. concentrações (% em mol) em materiais catódicos com alto teor de níquel. Através deste método, eles foram capazes de examinar como esses dopantes afetam a estrutura da superfície e as propriedades eletroquímicas do material catódico.

O exame revelou que a introdução de três cátions metálicos na camada de metal de transição fortaleceu as ligações entre os átomos de níquel e oxigênio, reduzindo assim a mistura de cátions e aumentando a estabilidade estrutural. Entre o alumínio, o titânio e o zircônio, todos contribuíram para aumentar a capacidade de descarga e retenção no material do cátodo de níquel de alta capacidade, com o titânio exibindo o efeito mais pronunciado. Isto marca a primeira avaliação e análise quantitativa de defeitos de mistura de cátions, um domínio anteriormente restrito ao exame qualitativo.

O professor da POSTECH, Si-Young Choi, que liderou a pesquisa, afirmou:"Desenvolvemos uma tecnologia de aprendizagem profunda para a análise quantitativa da mistura de cátions em materiais catódicos com alto teor de níquel, aumentando a eficácia da análise estrutural em escala atômica."

"Nosso objetivo é estabelecer as bases para tecnologias que analisam materiais altamente sensíveis, avançando assim na compreensão dos mecanismos de melhoria de desempenho para materiais catódicos de próxima geração."

A equipe de pesquisa inclui o professor Si-Young Choi e So-Yeon Kim e Yu-Jeong Yang, Ph.D. candidatos, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH), juntamente com o Dr. Sungho Choi do Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) e o Dr.

Mais informações: So-Yeon Kim et al, Site selectivity of single dopant in high-nickel cathodes for Lithium-Ion Batterys, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869
Informações do diário: Jornal de Engenharia Química

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang

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