berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Oksida berlapis adalah salah satu bahan katoda komersial yang paling banyak digunakan dan potensial dalam baterai lithium-ion.

Mengungkap secara mendalam mekanisme kegagalannya sangat penting untuk pengembangan bahan katoda baterai lithium-ion berkinerja tinggi generasi berikutnya.

Namun, sejauh ini, bidang terkait masih kekurangan pemahaman mendalam tentang transisi fase berbahaya dan mekanisme kegagalan mekanis bahan tersebut serta dampaknya terhadap kinerja baterai pada skala atom.

Peneliti Wang Chunyang dari Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences (yang melakukan penelitian postdoctoral di University of California dan Brookhaven National Laboratory dari tahun 2019 hingga 2023) berkomitmen untuk memecahkan tantangan besar di bidang baterai global.

Dia dan kolaboratornya mengembangkan teknologi pencitraan mikroskop elektron transmisi resolusi super dengan menggabungkan pembelajaran mendalam dengan pencitraan mikroskop elektron transmisi pemindaian resolusi atom, dan menggunakan teknologi ini untuk mengungkap secara mendalam struktur antarmuka fase kompleks dan struktur fase dalam bahan katoda oksida berlapis untuk lithium- baterai ion. Mekanisme kegagalan variabel dan mekanisme ketidakstabilan mekanis.

Karena kontribusinya yang penting terhadap pengembangan dan penerapan teknologi mikroskop elektron transmisi kecerdasan buatan, serta penelitian tentang mekanisme kegagalan oksida berlapis dan pengembangan material baru, ia menjadi salah satu dari "35 Ilmiah dan Ilmiah" dalam Tinjauan Teknologi MIT tahun 2023. Inovator Teknologi Di Bawah 35" Tiongkok Salah satu kandidat terpilih.

Mengungkap mekanisme kegagalan katoda oksida berlapis untuk baterai lithium untuk memandu pengembangan bahan katoda baterai generasi berikutnya

Baterai lithium-ion adalah salah satu solusi penyimpanan energi yang paling umum digunakan pada kendaraan listrik saat ini. Bahan katoda oksida berlapis memainkan peran penting dalam baterai lithium-ion.

Saat ini, jenis material ini menghadapi tantangan besar selama siklus pengisian dan pengosongan baterai, yaitu oksida berlapis pasti akan mengalami serangkaian degradasi transisi fase kompleks dan masalah kegagalan tegangan.

Khusus untuk katoda oksida berlapis nikel tinggi yang ada, semakin tinggi daya jelajah awal kendaraan listrik, semakin cepat penurunan performanya.

Dengan kata lain, terdapat hubungan terbalik antara kepadatan energi dan stabilitas siklus katoda oksida berlapis baterai lithium, dan keduanya tidak dapat menikmati kuenya dan memakannya juga.

“Bagaimana membuat kendaraan listrik memiliki daya jelajah awal yang tinggi dan tetap mempertahankan kapasitas 80% atau bahkan lebih tinggi setelah baterai diisi dan dikosongkan ribuan kali adalah salah satu permasalahan yang ingin dipecahkan oleh para ilmuwan di bidang baterai saat ini. mengatasi hal ini “Langkah pertama adalah mencari tahu bagaimana material yang ada bisa rusak, atau rusak,” katanya.

Menanggapi hal ini, ia dan kolaboratornya melakukan studi sistematis dan mendalam tentang degradasi transisi fase dan mekanisme kegagalan mekanis oksida berlapis pada skala nano-atom berdasarkan teknologi pencitraan mikroskop elektron transmisi resolusi super.

Mereka mengungkapkan transisi fase O3→O1 yang disebabkan oleh delitiasi dan ketidakstabilan kisi dalam oksida berlapis pada skala atom, dan menemukan bahwa transisi fase O3→O1 tidak sepenuhnya dapat dibalik selama proses penyisipan litium, dan dislokasi ketidaksesuaian terjadi pada antarmuka fase. Menjadi fase garam batu dan menyediakan situs nukleasi preferensial untuk inisiasi retakan [1,2].

Selanjutnya, mereka memperluas penelitian mereka ke bahan katoda oksida komersial, mengamati transisi fase O1 yang disebabkan oleh ketidakstabilan geser kisi, dan berhasil menyelesaikan konfigurasi atom kompleks dari antarmuka dua fase O1-O3 [3].

“Hasil ini adalah yang pertama mengungkap struktur antarmuka fase yang dihasilkan oleh geseran kisi delithiasi pada oksida berlapis pada skala atom.”

Berfokus pada transisi fase O1, mereka juga menggabungkan teknologi rekonstruksi tiga dimensi mikroskop elektron in-situ dan tomografi elektron untuk menemukan mekanisme transisi fase baru dari fase O1 ke fase garam batu, dan memimpin dalam menganalisis konfigurasi tiga dimensi dari retakan pada oksida berlapis dan hubungannya dengan mereka. Korelasi internal perubahan fase [4].

Selain itu, mereka juga menemukan mekanisme transformasi fase yang disebabkan oleh tegangan pada oksida berlapis, menumbangkan pemahaman tradisional bahwa perengkahan multi-skala adalah satu-satunya mode ketidakstabilan mekanis oksida berlapis. Membangun jembatan antara perubahan [5].

Rangkaian penelitian ini secara komprehensif mengungkap mekanisme transisi fase O3→O1 dalam oksida berlapis, struktur antarmuka, dan dampaknya terhadap penurunan kinerja struktural material, memberikan dukungan teoretis penting untuk desain optimal material katoda generasi berikutnya.

Misalnya, berdasarkan terobosan penelitian dasar yang disebutkan di atas, Wang Chunyang dan kolaboratornya merancang bahan katoda oksida berlapis nikel tinggi bebas kobalt dengan doping multi-komponen yang memiliki kinerja lebih baik daripada katoda baterai litium komersial NMC-. 811 [6]. dan oksida berlapis bebas kobalt dengan kandungan nikel sedang hingga rendah yang memiliki kinerja lebih baik daripada NMC-532 komersial [7].

"NMC-811 adalah bahan katoda komersial utama yang banyak digunakan dalam baterai tenaga kendaraan listrik. Kapasitas awal bahan katoda nikel tinggi baru yang kami kembangkan setara dengan NMC-811, tetapi setelah 1.000 siklus, tingkat retensi kapasitasnya Masih bisa mencapai lebih dari 85%, yang jauh lebih tinggi dibandingkan yang terakhir. Dengan kata lain, kami telah berhasil memutus hubungan terbalik antara kapasitas dan stabilitas siklus bahan katoda nikel tinggi yang ada."

Berkat pemahaman baru tentang mekanisme kegagalan oksida berlapis, siklus pengembangan bahan katoda oksida berlapis baru telah dipersingkat secara signifikan.

“Penelitian kami menegaskan bahwa fase O1 tidak sepenting perkiraan penelitian tradisional. Kami menemukan bahwa fase O1 dapat memperburuk degradasi struktural dan ketidakstabilan mekanis, sehingga merupakan fase yang sangat berbahaya. Dengan pemahaman baru ini , sekarang kita hanya perlu memasukkan bahan katoda ke dalam baterai dan menjalankannya satu atau dua kali, dan kita dapat secara kasar menyimpulkan stabilitas bahan dari jumlah fasa O1 yang dihasilkan, sehingga sangat mempersingkat periode evaluasi kinerja bahan. . " dia berkata.

Dia melanjutkan: "Lebih penting lagi, mengingat esensi transisi fase O1 adalah geser kisi, kami mulai dari karakteristik oksida berlapis dan 'tindakan yang disesuaikan dengan kondisi lokal' untuk merancang metode yang dapat menekan geser kisi. , Strategi modifikasi material untuk mengurangi ketegangan material—teknologi doping multi-komponen memungkinkan kami meningkatkan masa pakai katoda oksida berlapis nikel tinggi secara signifikan tanpa kehilangan kapasitas awal.”

Teknologi karakterisasi mikroskop elektron canggih memainkan peran penting dalam memecahkan masalah ilmiah inti di bidang energi dan mengembangkan material baru.

Rangkaian hasil di atas mampu diraihnya berkat keahliannya di bidang mikroskop elektron, khususnya pengembangan dan penerapan teknologi pencitraan mikroskop elektron transmisi resolusi super.

“Teknologi ini merupakan perpaduan antara kecerdasan buatan dan teknologi karakterisasi mikroskop elektron transmisi canggih, membuka pintu baru bagi penelitian dasar bahan katoda oksida berlapis.”

Hal khusus tentang oksida berlapis adalah bahwa setelah ion litium ditarik keluar dari kisi kristal, material akan mengalami perubahan volume yang tidak seragam dan transisi fase lokal, dan distorsi kisi yang dihasilkan akan menyebabkan kumpulan yang terselesaikan secara atom. Gambar laju menjadi buram dan tidak dapat diinterpretasikan, yang merupakan tantangan fatal bagi mikroskop elektron untuk "melihat dengan jelas" dan mengungkap struktur material.

Untuk mencapai tujuan ini, Wang Chunyang dan kolaboratornya memanfaatkan sepenuhnya keunggulan jaringan saraf konvolusional dalam segmentasi gambar, menggabungkannya dengan teknologi pencitraan mikroskop elektron transmisi resolusi atom, dan mengembangkan teknologi pencitraan resolusi super berbantuan kecerdasan buatan untuk mencapai oksida berlapis Tinggi -pencitraan presisi dan analisis struktur kristal dan cacat bahan katoda.

"Kinerja teknologi ini saat ini sangat baik, bahkan melampaui ekspektasi awal kami. Selanjutnya, kami berharap dapat menggunakan teknologi kecerdasan buatan untuk mencapai analisis struktur material yang cerdas pada skala atom. Ini adalah salah satu arah upaya kami di masa depan." menjelaskan.

Selain itu, ia dan kolaboratornya juga telah membuat kemajuan penting dalam mekanisme kegagalan skala atom dari semua bahan katoda baterai litium solid-state.

Mereka menemukan bahwa "fragmentasi kisi" permukaan dan transformasi fase geser bersama-sama menyebabkan degradasi sifat struktural oksida berlapis [8]. Mekanisme ini sangat berbeda dari baterai cair tradisional, dan diharapkan menjadi katoda-elektrolit baterai all-solid-state. Desain optimasi antarmuka memberikan panduan teoritis.

Memilih pertanyaan ilmiah yang baik jauh lebih penting daripada mengejar peralatan "unggul" secara membabi buta

Pada tahun 2010, ia diterima di Universitas Pertambangan dan Teknologi China dengan jurusan ilmu dan teknik material dari Sekolah Menengah Xiantao di Provinsi Hubei.

Pada tahun 2014, ia direkomendasikan untuk belajar gelar doktor di Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences (Pembimbing: Peneliti Du Kui). Selama periode ini, ia terutama terlibat dalam penelitian mikroskop elektron kuantitatif in-situ pada bahan logam dan pengembangan serta penerapan teknologi pencitraan tiga dimensi mikroskop elektron transmisi.

Setelah menerima gelar PhD pada tahun 2019, ia masuk ke Laboratorium Nasional Universitas California, Irvine dan Brookhaven untuk melakukan penelitian pascadoktoral (co-supervisor: Profesor Xin Huolin). Pada tahap ini, ia terutama terlibat dalam pengembangan dan penerapan teknologi mikroskop elektron transmisi canggih dan penelitian tentang mekanisme kegagalan dan hubungan struktur-aktivitas bahan baterai lithium-ion.

Berbicara tentang tantangan terbesar yang dihadapi dalam proses penelitian ilmiah, ia mengatakan bukan dari tataran teknisnya, melainkan bagaimana menemukan pertanyaan ilmiah yang baik.

Mengambil contoh bidang bahan baterai, penelitian tentang bahan katoda oksida berlapis telah berlangsung lebih dari empat puluh tahun. Pandangan umum di lapangan adalah bahwa kerangka teori perubahan fasa dan mekanisme kegagalan katoda oksida berlapis telah "selesai".

“Mungkin karena kebetulan saya mempunyai selembar kertas kosong ketika memasuki bidang ini, jadi saya tidak terikat oleh banyak aturan. Sekalipun itu adalah pertanyaan yang sangat bodoh di mata banyak ilmuwan, saya sering kali memiliki keinginan yang kuat untuk itu. pengetahuan." kata Wang Chunyang.

“Saat-saat di mana saya merasa paling berhasil sering kali adalah ketika melakukan eksperimen mikroskop elektron transmisi di tengah malam, dalam keheningan total, sel-sel otak dan sel-sel visual berinteraksi satu sama lain dengan frekuensi tinggi telah memahami kebenaran dunia, dan merasa sangat bahagia," lanjutnya.

Keinginan yang kuat akan pengetahuan, ditambah dengan intuisi yang tajam dan pemikiran kritis, mungkin menjadi kekuatan pendorong utama di balik kemampuannya untuk menemukan serangkaian mekanisme kegagalan baru dalam oksida berlapis.

Tentu saja terobosannya juga tidak lepas dari pelatihan penelitian ilmiah yang diterimanya.

Selama studi doktoralnya di Institut Metalurgi, ia mempelajari material logam, yang meletakkan dasar yang kokoh untuk pemahaman mendalamnya tentang struktur dan cacat material serta pembentukan sistem pengetahuan. Latar belakang silang dan keunggulan asimetris ini juga menjadi kekuatan pendorong penting bagi terobosan inovatifnya di bidang material baterai.

Fenomena yang menarik adalah sebagai peneliti mikroskop elektron dengan "pengabdian sepuluh tahun", terobosan Wang Chunyang di bidang penelitian material sangat bergantung pada "kaca pembesar super" - mikroskop elektron transmisi. Meski begitu, ia berulang kali menekankan bahwa penelitian ilmiah tidak bisa hanya dilakukan dengan peralatan saja.

Ia percaya bahwa “manusia”lah yang pada akhirnya memutuskan isu ilmiah apa yang akan dipelajari, bagaimana merancang eksperimen, menganalisis data, dan menulis makalah, bukan peralatan. Peralatan atau teknik eksperimen disebut “kucing” dan masalah ilmiahnya disebut “tikus”. Kucing hitam atau kucing putih, yang menangkap tikus adalah kucing yang baik.

“Tiga perempat penelitian selama periode pascadoktoral saya dilakukan pada mikroskop elektron yang dikoreksi aberasi asferis, dan lebih dari separuh penelitian tersebut merupakan penelitian di luar lokasi tidak. Hal ini tidak menghalangi kita untuk memecahkan masalah ilmiah penting yang menjadi perhatian semua orang di bidang ini,” katanya.

Dari perspektif ini, memilih pertanyaan ilmiah yang baik jauh lebih penting daripada terus menerus mengejar peralatan yang "unggul".

Diketahui bahwa pada Januari 2024, ia telah kembali ke Institut Penelitian Logam, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, sebagai peneliti dan pembimbing doktoral di Pusat Penelitian Ilmu Material Nasional Shenyang.

Dalam enam bulan terakhir, ia telah membentuk tim peneliti ilmiah muda dengan usia rata-rata hanya 30 tahun dan memulai perjalanan penelitian ilmiah baru.

Di masa depan, minat penelitian utamanya adalah mikroskop elektron transmisi dan penelitian hubungan struktur-aktivitas material, dan dia akan berkomitmen untuk mengembangkan bahan katoda baterai lithium-ion berkinerja tinggi generasi berikutnya yang dipimpin oleh terobosan dalam penelitian dasar.

“Sepuluh tahun yang lalu, sejak saya masuk Institut Metalurgi, mikroskop elektron transmisi membuka pintu bagi saya untuk memahami materi, dan seperti pendahulu saya, saya secara bertahap belajar menggunakan mikroskop elektron untuk memahami struktur mikro, menjelajahi hubungan batin di antara keduanya struktur dan sifat material. Memahami dunia fisik dan melakukan penelitian ilmu material bukan hanya karir saya saat ini, tetapi juga karir saya di masa depan,” kata Wang Chunyang.

Referensi:

1. CY Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, HL Xin. Pengamatan Skala Atom terhadap Deaktivasi LiNiO2 yang Diinduksi Fase oleh Kesalahan O1 pada Tegangan Tinggi. 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. Katoda Kristal Tunggal Ni Ultratinggi yang Stabil Secara Kimia-Mekanik dengan Retensi Oksigen yang Lebih Baik dan Degradasi Fase yang Tertunda. 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. Menyelesaikan Motif Transisi Intralayer Kompleks dalam Material Katoda Berlapis Kandungan Ni Tinggi untuk Baterai Lithium-Ion. Nature Materials, 22, 235-241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang, LL Han, R. Zhang, dkk. Menyelesaikan Transformasi Fase Skala Atom dan Mekanisme Kehilangan Oksigen dalam Lapisan Nikel Ultratinggi

Katoda untuk Baterai Litium-Ion Bebas Kobalt. 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. Pengamatan Langsung Transformasi Fase yang Diinduksi Stres Kimia-Mekanik pada Katoda Berlapis Ni Tinggi untuk Baterai Lithium-Ion. Matter, 6(4), 1265-1277 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#, CY Wang#, dkk. Doping yang kompleks secara komposisi untuk katode berlapis nol-regangan nol-kobalt. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#, CY Wang#, dkk. Baterai lithium-ion tahan lama yang diwujudkan dengan kimia katode rendah-Ni dan bebas-Co. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. Asal Atom Kegagalan Kimia-Mekanik Katoda Berlapis dalam Baterai Semua-Padat. Jurnal American Chemical Society, 146 (26), 17712–17718 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

Pengoperasian/penataan huruf: He Chenlong

02/

03/

04/

05/