Les chercheurs ont réalisé une percée dans la compréhension du mécanisme de stabilisation des structures de surface dans des matériaux cathodiques de haute capacité et à haute teneur en nickel grâce au dopage d'un seul élément dans leur recherche collaborative par le biais d'une analyse quantitative. Leurs travaux ont été publiés dans le Chemical Engineering Journal. .
Dans la quête d’étendre l’autonomie des véhicules électriques, il existe un besoin croissant de matériaux cathodiques ayant une capacité plus élevée pour stocker plus d’énergie. Le nickel (Ni) est largement utilisé dans les batteries des véhicules électriques en raison de sa haute densité énergétique. Composés à haute teneur en nickel comme LiNi0,8 Co0,1 Mn0,1 O2 sont des matériaux cathodiques courants, dotés d'une teneur substantielle en nickel.
Cependant, à mesure que la concentration de nickel augmente, un phénomène inquiétant apparaît :les ions nickel infiltrent la couche de lithium en échangeant leurs positions avec des ions nickel et lithium de taille similaire le long de certaines surfaces. Ce mélange excessif de cations a été associé à une diminution des performances de la batterie.
Pour résoudre ce problème, des recherches récentes se sont concentrées sur l’incorporation d’ions métalliques comme dopants. Ces cations métalliques sont placés dans les couches de métal de transition ou de lithium des matériaux cathodiques à haute teneur en nickel. La précision des sites de dopage est cruciale pour comprendre leur effet sur la stabilité structurelle des matériaux cathodiques. Cependant, la petite quantité de cations métalliques ajoutée pour améliorer les performances de la cathode pose des défis pour localiser leur emplacement exact et étudier le mécanisme de stabilisation.
Dans cette recherche, l’équipe a développé une technique d’IA d’apprentissage profond pour analyser quantitativement le mélange de cations à l’aide d’images de structure atomique. Ils ont combiné cette approche avec la microscopie électronique à l'échelle atomique (HAADF-STEM), leur permettant de visualiser, pour la première fois, l'emplacement des dopants métalliques en aluminium (Al), titane (Ti) et zirconium (Zr) au niveau sous-molaire. concentrations (% en moles) dans les matériaux cathodiques à haute teneur en nickel. Grâce à cette méthode, ils ont pu examiner comment ces dopants affectent la structure de surface et les propriétés électrochimiques du matériau cathodique.
L'examen a révélé que l'introduction de trois cations métalliques dans la couche de métal de transition renforçait les liaisons entre les atomes de nickel et d'oxygène, limitant ainsi le mélange des cations et améliorant la stabilité structurelle. Parmi l’aluminium, le titane et le zirconium, tous ont contribué à augmenter la capacité de décharge et la rétention dans le matériau de cathode en nickel à haute capacité, le titane présentant l’effet le plus prononcé. Il s'agit de la première évaluation et analyse quantitative des défauts de mélange de cations, un domaine auparavant limité à l'examen qualitatif.
Le professeur Si-Young Choi de POSTECH, qui a dirigé la recherche, a déclaré :"Nous avons développé une technologie d'apprentissage profond pour l'analyse quantitative du mélange de cations dans les matériaux cathodiques à haute teneur en nickel, améliorant ainsi l'efficacité de l'analyse structurelle à l'échelle atomique."
"Notre objectif est de jeter les bases de technologies analysant des matériaux hautement sensibles, faisant ainsi progresser la compréhension des mécanismes d'amélioration des performances des matériaux cathodiques de nouvelle génération."
L'équipe de recherche comprend le professeur Si-Young Choi, So-Yeon Kim et Yu-Jeong Yang, Ph.D. candidats, du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), ainsi que le Dr Sungho Choi de l'Institut coréen de recherche en technologie chimique (KRICT) et le Dr Sora Lee et Chiho Jo de LG Energy Solution.
Plus d'informations : So-Yeon Kim et al, Sélectivité de site d'un dopant unique dans des cathodes à haute teneur en nickel pour batteries lithium-ion, Chemical Engineering Journal (2024). DOI :10.1016/j.cej.2024.148869
Informations sur le journal : Journal de génie chimique
Fourni par l'Université des sciences et technologies de Pohang
