uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Kerroksellinen oksidi on yksi laajimmin käytetyistä ja potentiaalisimmista kaupallisista katodimateriaaleista litiumioniakuissa.

Sen vikamekanismin syvä paljastaminen on ratkaisevan tärkeää seuraavan sukupolven korkean suorituskyvyn litiumioniakkujen katodimateriaalien kehittämisessä.

Tähän asti liittyviltä aloilta puuttuu kuitenkin syvällinen ymmärrys tällaisten materiaalien haitallisista faasisiirtymistä ja mekaanisista vikamekanismeista ja niiden vaikutuksesta akun suorituskykyyn atomimittakaavassa.

Kiinan tiedeakatemian metallitutkimusinstituutin tutkija Wang Chunyang (joka teki jatkotutkinnon Kalifornian yliopistossa ja Brookhaven National Laboratoryssa vuosina 2019–2023) on sitoutunut ratkaisemaan tämän suuren haasteen maailmanlaajuisella akkukentällä.

Hän ja hänen työtoverinsa kehittivät superresoluutioisen transmissioelektronimikroskooppikuvaustekniikan yhdistämällä syväoppimisen atomiresoluutioiseen pyyhkäisevään transmissioelektronimikroskooppikuvaukseen ja käyttivät tätä tekniikkaa paljastaakseen syvästi monimutkaisen vaiherajapinnan rakenteen ja vaiherakenteen litiumin kerroksellisissa oksidikatodimateriaaleissa. ioni-akut muuttuva vikamekanismi ja mekaaninen epävakausmekanismi.

Koska hänen tärkeä panoksensa tekoälyn transmissioelektronimikroskooppiteknologian kehittämiseen ja soveltamiseen sekä kerrostettujen oksidien vikamekanismien tutkimukseen ja uusien materiaalien kehittämiseen, hänestä tuli yksi vuoden 2023 MIT Technology Reviewin "35 Scientific and Teknologiset innovaattorit alle 35" Kiina Yksi valituista ehdokkaista.

Litiumakkujen kerrostettujen oksidikatodien vikamekanismin paljastaminen seuraavan sukupolven akkukatodimateriaalien kehittämisen ohjaamiseksi

Litiumioniakut ovat yksi yleisimmin käytetyistä energian varastointiratkaisuista sähköajoneuvoissa nykyään. Kerrostetut oksidikatodimateriaalit ovat avainasemassa litiumioniakuissa.

Tällä hetkellä tämäntyyppiset materiaalit kohtaavat valtavia haasteita akun lataus- ja purkujaksojen aikana, toisin sanoen kerrostetut oksidit joutuvat väistämättä läpi joukon monimutkaisia ​​faasimuutosten hajoamis- ja jännityshäiriöongelmia.

Erityisesti olemassa olevien runsaasti nikkeliä sisältävien oksidikatodien kohdalla mitä suurempi sähköajoneuvojen alkuperäinen matkamatka on, sitä nopeammin niiden suorituskyky heikkenee.

Toisin sanoen litiumakkukerroksisen oksidikatodin energiatiheyden ja syklin stabiilisuuden välillä on käänteinen suhde, eivätkä nämä kaksi voi saada kakkuaan ja syödä sitä.

"Miten saada sähköajoneuvoista korkea alkumatkamatka ja silti säilyttää 80 % tai jopa suurempi kapasiteetti sen jälkeen, kun akku on ladattu ja purettu tuhansia kertoja, on yksi ongelmista, jonka nykyisen akkukentän tutkijat haluavat ratkaista. voittaa tämä "Ensimmäinen askel on selvittää, kuinka olemassa olevat materiaalit epäonnistuvat tai hajoavat", hän sanoi.

Vastauksena tähän hän ja hänen työtoverinsa suorittivat systemaattisen ja perusteellisen tutkimuksen kerrostettujen oksidien faasisiirtymähajoamisesta ja mekaanisista vikamekanismeista nanoatomimittakaavassa superresoluutioisen transmissioelektronimikroskooppikuvaustekniikan perusteella.

He paljastivat O3 → O1 -faasisiirtymän, jonka aiheutti delitaatio ja hilan epävakaus kerroksellisissa oksideissa atomimittakaavassa, ja havaitsivat, että O3 → O1 -faasisiirtymä ei ollut täysin palautuva litiumin lisäysprosessin aikana, ja faasirajapinnassa tapahtui epäsovitushäiriöitä. Vuorisuolafaasiksi muodostuminen ja ensisijaisten ydintymiskohtien tarjoaminen halkeamien alkamiselle [1,2].

Lisäksi he laajensivat tutkimustaan ​​kaupallisiin oksidikatodimateriaaleihin, havaitsivat hilan leikkausepävakauden aiheuttamaa O1-faasimuutosta ja ratkaisivat onnistuneesti O1-O3:n kaksivaiheisen rajapinnan monimutkaisen atomikonfiguraation [3].

"Tämä tulos on ensimmäinen, joka paljastaa faasirajapinnan rakenteen, joka syntyy delitaatio-hilaleikkauksesta kerroksellisissa oksideissa atomimittakaavassa."

Keskittyessään O1-faasisiirtymään, he yhdistivät myös in situ elektronimikroskopian ja elektronitomografian kolmiulotteisen rekonstruktiotekniikan löytääkseen uuden faasisiirtymämekanismin O1-faasista vuorisuolafaasiin ja ottivat johtoaseman kolmiulotteisen konfiguraation analysoinnissa. kerrosoksidien halkeamat ja niiden suhde niihin Vaihemuutosten sisäinen korrelaatio [4].

Lisäksi he löysivät myös jännityksen aiheuttaman faasimuutosmekanismin kerroksellisissa oksideissa, mikä horjutti perinteistä käsitystä siitä, että monimittakainen halkeilu on kerrosten oksidien ainoa mekaanisen epävakauden muoto. Rakenna silta muutosten välille [5].

Tämä tutkimussarja paljasti kattavasti O3→O1-faasisiirtymämekanismin, rajapinnan rakenteen ja sen vaikutuksen materiaalin rakenteellisen suorituskyvyn heikkenemiseen kerroksellisissa oksideissa, mikä tarjoaa tärkeän teoreettisen tuen seuraavan sukupolven katodimateriaalien optimoidulle suunnittelulle.

Esimerkiksi edellä mainittujen perustutkimuksen läpimurtojen perusteella Wang Chunyang ja hänen työtoverinsa suunnittelivat monikomponenttisen seostetun nollajännitteisen kobolttittoman runsaasti nikkeliä sisältävän oksidikatodimateriaalin, jonka suorituskyky on parempi kuin kaupallinen litiumakkukatodi NMC- 811 [6] ja kobolttiton kerrosoksidi, jonka nikkelipitoisuus on keskitasoinen ja jolla on parempi suorituskyky kuin kaupallisella NMC-532:lla [7].

"NMC-811 on yleinen kaupallinen katodimateriaali, jota käytetään laajalti sähköajoneuvojen akuissa. Kehittämämme uuden korkean nikkelin katodimateriaalin alkuperäinen kapasiteetti vastaa NMC-811:tä, mutta 1 000 jakson jälkeen sen kapasiteetin säilyvyysaste yli 85 %, mikä on paljon korkeampi kuin jälkimmäinen. Toisin sanoen olemme onnistuneesti rikkoneet käänteisen suhteen kapasiteetin ja syklin stabiilisuuden välillä olemassa olevien runsaasti nikkeliä sisältävien katodimateriaalien välillä.

Kerrostettujen oksidien vikamekanismin uuden ymmärryksen ansiosta uusien kerrostettujen oksidikatodimateriaalien kehityssykli on lyhentynyt huomattavasti.

"Tutkimuksemme vahvisti, että O1-vaihe ei ole niin merkityksetön kuin perinteinen tutkimus luuli. Havaitsimme, että O1-vaihe voi sekä pahentaa rakenteellista hajoamista että mekaanista epävakautta, joten se on ulos ja ulos haitallinen vaihe. Tällä uudella ymmärryksellä , meidän tarvitsee nyt vain laittaa positiivinen elektrodimateriaali akkuun yhdeksi tai kahdeksi kierrokseksi, ja voimme karkeasti päätellä materiaalin stabiilisuuden syntyneen O1-faasin määrästä, mikä lyhentää huomattavasti materiaalin suorituskyvyn arviointijaksoa sanoi.

Hän jatkoi: "Tärkeämpää on, että ottaen huomioon, että O1-faasisiirtymän ydin on hilan leikkaus, aloitimme kerroksisten oksidien ominaisuuksista ja "paikallisiin olosuhteisiin mukautetuista toimenpiteistä" suunnitellaksemme menetelmän, joka voi estää hilan leikkauksen. , Materiaalin muokkausstrategia vähentää materiaalin rasitusta – monikomponenttisen dopingtekniikan avulla voimme merkittävästi parantaa runsaasti nikkeliä sisältävien oksidikatodien käyttöikää menettämättä alkukapasiteettia."

Edistyksellisellä elektronimikroskopian karakterisointitekniikalla on tärkeä rooli energia-alan tieteellisten ydinongelmien ratkaisemisessa ja uusien materiaalien kehittämisessä.

Hän pystyi saavuttamaan edellä mainitut tulossarjat elektronimikroskopian asiantuntemuksensa ansiosta, erityisesti superresoluutioisen transmissioelektronimikroskoopin kuvantamistekniikan kehittämisen ja soveltamisen ansiosta.

"Tämä tekniikka on tekoälyn ja edistyneen transmissioelektronimikroskoopin karakterisointiteknologian ristiinfuusio, joka avaa uuden oven kerrostettujen oksidikatodimateriaalien perustutkimukselle."

Kerrostettujen oksidien erikoisuus on, että kun litiumionit vedetään ulos kidehilasta, materiaalissa tapahtuu epätasaisia ​​tilavuusmuutoksia ja paikallisia faasimuutoksia, ja tuloksena oleva hilavääristymä johtaa kerättyyn atomierottumiseen. Nopeuskuvasta tulee epäselvä. ja tulkinnanvarainen, mikä asettaa elektronimikroskopijoille kohtalokkaan haasteen "nähdä selvästi" ja paljastaa materiaalin rakenteen.

Tätä tarkoitusta varten Wang Chunyang ja hänen työtoverinsa käyttivät täysipainoisesti konvoluutiohermoverkkojen etuja kuvan segmentoinnissa, yhdistivät ne atomiresoluutioisen transmissioelektronimikroskoopin kuvantamistekniikkaan ja kehittivät tekoälyavusteisen superresoluution kuvantamisteknologian saavuttaakseen kerrostetun oksidin korkean -katodimateriaalien kiderakenteen ja vikojen tarkkuuskuvaus ja analyysi.

"Tämän tekniikan nykyinen suorituskyky on erittäin hyvä, jopa yli alkuperäiset odotuksemme. Seuraavaksi toivomme voivamme käyttää tekoälyteknologiaa atomimittakaavaisen älykkään materiaalirakenteen analysointiin. Tämä on yksi tulevaisuuden ponnisteluistamme." selittää.

Lisäksi hän ja hänen työtoverinsa ovat myös edistyneet merkittävästi atomimittakaavan vikamekanismissa täysin kiinteiden olomuotojen litiumakkujen katodimateriaalien osalta.

He havaitsivat, että pinnan "hilan sirpaloituminen" ja leikkausvaiheen muunnos johtavat yhdessä kerrostettujen oksidien rakenteellisten ominaisuuksien heikkenemiseen [8]. Tämä mekanismi eroaa merkittävästi perinteisistä nesteakkuista, ja sen odotetaan olevan katodielektrolyytti täysin solid-state-akut.

Hyvän tieteellisen kysymyksen valinta on paljon tärkeämpää kuin sokeasti "ylivoimaisen" laitteiston tavoitteleminen

Vuonna 2010 hänet hyväksyttiin Kiinan kaivos- ja teknologiayliopistoon pääaineenaan materiaalitiede ja tekniikka Xiantaon keskikoulusta Hubein maakunnassa.

Vuonna 2014 häntä suositeltiin tohtorin tutkintoon Kiinan tiedeakatemian Metallitutkimuksen instituutissa (Ohjaaja: Researcher Du Kui). Tänä aikana hän harjoitti pääasiassa in situ kvantitatiivista elektronimikroskopiatutkimusta metallimateriaaleista sekä transmissioelektronimikroskoopin kolmiulotteisen kuvantamistekniikan kehittämistä ja soveltamista.

Saatuaan tohtorintutkinnon vuonna 2019 hän tuli Kalifornian yliopiston Irvinen ja Brookhavenin kansalliseen laboratorioon suorittamaan tohtorintutkintoa (ohjaaja: professori Xin Huolin). Tässä vaiheessa hän keskittyi pääasiassa edistyneen transmissioelektronimikroskoopin teknologian kehittämiseen ja soveltamiseen sekä litiumioniakkumateriaalien vikamekanismin ja rakenteen ja aktiivisuuden välisen suhteen tutkimukseen.

Hän kertoi tieteellisen tutkimusprosessin suurimmasta haasteesta, että se ei tule tekniseltä tasolta, vaan siitä, kuinka löytää hyviä tieteellisiä kysymyksiä.

Akkumateriaalien alansa esimerkkinä kerrosoksidikatodimateriaalien tutkimus on kestänyt yli neljäkymmentä vuotta. Alalla yleinen näkemys on, että kerrostettujen oksidikatodien vaihemuutosteorian ja vikamekanismin kehys on "valmis".

"Ehkä se johtuu siitä, että minulla sattui olemaan tyhjä paperiarkki tullessani tälle alalle, joten minua ei sidottu monet säännöt. Vaikka kysymys onkin monien tiedemiesten silmissä erittäin tyhmä, minulla on usein kova halu tieto", Wang Chunyang sanoi.

"Aikoja, jolloin tunnen olevani menestynein, on usein silloin, kun teen transmissioelektronimikroskooppikokeita keskellä yötä. Täydessä hiljaisuudessa aivosolut ja näkösolut ovat vuorovaikutuksessa korkealla taajuudella. Hetken minusta tuntuu, että minulla on ymmärtänyt maailman totuuden ja tuntea olevansa äärimmäisen onnellinen", hän jatkoi.

Voimakas tiedonhalu yhdistettynä innokkaaseen intuitioon ja kriittiseen ajatteluun voi olla keskeinen voima hänen kyvyssään löytää sarja uusia vikamekanismeja kerroksellisissa oksideissa.

Hänen läpimurtonsa on tietysti myös erottamaton hänen saamastaan ​​tieteellisestä tutkijakoulutuksesta.

Tohtoriopintojensa aikana Metallurgian instituutissa hän opiskeli metallimateriaaleja, mikä loi vankan pohjan materiaalirakenteiden ja -virheiden syvälliselle ymmärtämiselle ja tietojärjestelmän rakentamiselle. Tämä ristikkäinen tausta ja epäsymmetriset edut ovat myös tärkeä liikkeellepaneva voima hänen innovatiivisille läpimurroilleen akkumateriaalien alalla.

Mielenkiintoinen ilmiö on, että elektronimikroskopian tutkijana "kymmenen vuoden palveluksessa" Wang Chunyangin läpimurrot materiaalitutkimuksen alalla ovat suurelta osin riippuvaisia ​​"supersuurennuslasista" - transmissioelektronimikroskoopista. Tästä huolimatta hän on toistuvasti korostanut, että tieteellinen tutkimus ei voi olla "vain laitteisto".

Hän uskoo, että "ihmiset" päättävät viime kädessä, mitä tieteellisiä kysymyksiä tutkia, miten suunnitella kokeita, analysoida tietoja ja kirjoittaa papereita, eivät laitteet. Laite tai kokeellinen tekniikka on "kissa" ja tieteellinen ongelma on "hiiri". Musta kissa tai valkoinen kissa, joka hiiriä saa kiinni, on hyvä kissa.

"Kolme neljäsosaa tutkijatohtorin aikana tehdystä tutkimuksesta tehtiin asfäärisen poikkeaman perusteella korjatuilla elektronimikroskoopeilla, ja yli puolet työstä oli out-of-situ -tutkimusta Monien mielestä näillä laitteilla tai teknologioilla ei ole etuja, mutta ne Se ei estä meitä ratkaisemasta tärkeitä tieteellisiä kysymyksiä, joista kaikki ovat huolissaan", hän sanoi.

Tästä näkökulmasta hyvän tieteellisen kysymyksen valinta on paljon tärkeämpää kuin loputon "ylivoimaisen" laitteiston tavoitteleminen.

On selvää, että tammikuussa 2024 hän on palannut Kiinan tiedeakatemian metallitutkimuksen instituuttiin tutkijana ja tohtorinohjaajana Shenyangin kansallisessa materiaalitieteen tutkimuskeskuksessa.

Viimeisen puolen vuoden aikana hän on perustanut nuoren tieteellisen tutkimusryhmän, jonka keski-ikä on vain 30 vuotta, ja aloittanut uuden tieteellisen tutkimusmatkan.

Jatkossa hänen pääasiallisia tutkimussuuntiaan ovat transmissioelektronimikroskooppi ja materiaalin rakenteen ja aktiivisuuden suhdetutkimus, ja hän on sitoutunut kehittämään seuraavan sukupolven korkean suorituskyvyn litiumioniakkukatodimateriaaleja perustutkimuksen läpimurtojen johdolla.

”Kymmenen vuotta sitten siitä hetkestä, kun astuin Metallurgian instituutin ovelle, transmissioelektronimikroskooppi avasi minulle oven materiaalien ymmärtämiseen, ja edeltäjieni tavoin opin vähitellen käyttämään elektronimikroskopiaa materiaalien ominaisuuksien ymmärtämiseen. Mikrorakenne, materiaalien rakenteen ja ominaisuuksien välisen sisäisen yhteyden tutkiminen Fyysisen maailman ymmärtäminen ja materiaalitieteellisen tutkimuksen tekeminen eivät ole vain nykyinen urani, vaan myös tulevaisuuden urani”, Wang Chunyang sanoi.

Viitteet:

1. CY Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, HL Xin. Atomimittakaavaisen havainnointi O1:n viallisen vaiheen aiheuttamasta LiNiO2:n deaktivoitumisesta korkealla jännitteellä. Nano Letters, 21(8), 3657-3663 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00862

2. CY Wang, R. Zhang, C. Siu, MY Ge, K. Kisslinger, Y. Shin, HL Xin. Kemomekaanisesti vakaat Ultrahigh-Ni-yksikiteiset katodit, joissa on parannettu hapenpidätys ja viivästynyt vaiheen hajoaminen. Nano Letters, 21(22), 9797-9804 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03852

3. CY Wang, XL Wang, R. Zhang, T. Lei, K. Kisslinger, HL Xin. Monimutkaisten kerroksen sisäisten siirtymäaiheiden ratkaiseminen runsaasti nikkeliä sisältävistä kerroksellisista katodimateriaaleista litiumioniakkuja varten. Nature Materials, 22, 235-241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang, LL Han, R. Zhang, et ai. Atomimittakaavaisen faasimuunnos- ja hapenhäviömekanismin ratkaiseminen ultrakorkean nikkelin kerroksisessa

Katodit kobolttittomille litiumioniakuille. Matter, 4(6), 2013-2026 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.012

5. CY Wang, XL Wang, PC Zou, R. Zhang, SF Wang, BH Song, KB Low, HL Xin. Kemomekaanisen rasituksen aiheuttaman faasimuutoksen suora havainnointi litiumioniakkujen korkean Ni-kerroksen katodeissa. Matter, 6(4), 1265-1277 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#, CY Wang#, et ai. Koostumuksellisesti monimutkainen seostus nolla-kobolttikerroksisille katodeille. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#, CY Wang#, et ai. Pitkäikäiset litiumioniakut, jotka on toteutettu matalan Ni:n, Co-free katodikemian avulla. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. Solid-state-akkujen kerrostettujen katodien kemomekaanisen vian atomialkuperä. Journal of the American Chemical Society, 146 (26), 17712–17718 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

Operaatio/ladonta: He Chenlong

02/

03/

04/

05/