소식

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층상 산화물은 리튬 이온 배터리에서 가장 널리 사용되고 잠재적인 상용 양극 재료 중 하나입니다.

차세대 고성능 리튬이온 배터리 양극재 개발에는 고장 메커니즘을 심층적으로 밝히는 것이 중요하다.

그러나 지금까지 관련 분야에서는 이러한 물질의 유해한 상전이 및 기계적 고장 메커니즘과 이것이 원자 규모에서 배터리 성능에 미치는 영향에 대한 심층적인 이해가 여전히 부족합니다.

중국과학원 금속연구소 왕춘양 연구원(2019년부터 2023년까지 캘리포니아대학교와 브룩헤이븐 국립연구소에서 박사후 연구 수행)은 전 세계 배터리 분야에서 이러한 중대한 과제를 해결하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

그와 그의 동료들은 딥러닝과 원자 분해능 주사 투과 전자 현미경 이미징을 융합하여 초해상도 투과 전자 현미경 이미징 기술을 개발했으며, 이 기술을 사용하여 리튬-산화층 산화물 양극재의 복잡한 상 경계 구조와 상 구조를 심층적으로 밝힙니다. 이온 배터리. 가변 고장 메커니즘 및 기계적 불안정 메커니즘.

인공지능 투과전자현미경 기술의 개발 및 응용과 층상 산화물의 고장 메커니즘 연구, 신소재 개발에 중요한 공헌을 하여 2023년 MIT Technology Review의 '35 과학 및 과학 분야 35인' 중 한 명이 되었습니다. 35인치 미만의 기술 혁신가 중국 선정된 후보자 중 하나입니다.

리튬전지용 층상 산화물 양극의 고장 메커니즘을 밝혀 차세대 전지 양극재 개발의 길잡이

리튬 이온 배터리는 오늘날 전기 자동차에서 가장 일반적으로 사용되는 에너지 저장 솔루션 중 하나입니다. 층상 산화물 양극재는 리튬이온 배터리에서 핵심적인 역할을 합니다.

현재 이러한 유형의 재료는 배터리 충전 및 방전 주기 동안 큰 문제에 직면해 있습니다. 즉, 층상 산화물은 필연적으로 일련의 복잡한 상전이 저하 및 응력 실패 문제를 겪게 됩니다.

특히 기존 고니켈층 산화물 양극재의 경우 전기차의 초기 주행거리가 길어질수록 성능 저하 속도가 빨라진다.

즉, 리튬전지 적층형 산화물 양극의 에너지 밀도와 사이클 안정성 사이에는 역의 관계가 있어, 둘이 케이크를 먹고도 먹을 수 없다는 것이다.

“전기차의 초기 주행 거리를 높게 유지하면서 배터리를 수천 번 충전하고 방전한 후에도 80% 이상의 용량을 유지하는 방법은 현재 배터리 분야의 과학자들이 해결하고자 하는 문제 중 하나입니다. 이를 극복하기 위해 “첫 번째 단계는 기존 재료가 어떻게 파손되거나 분해되는지 파악하는 것”이라고 그는 말했다.

이에 대응하여 그와 그의 동료들은 초고해상도 투과전자현미경 이미징 기술을 기반으로 나노 원자 규모의 층상 산화물의 상전이 저하 및 기계적 고장 메커니즘에 대한 체계적이고 심층적인 연구를 수행했습니다.

그들은 원자 규모에서 층상 산화물의 탈리튬화 및 격자 불안정성으로 인한 O3→O1 상전이를 밝혔으며, 리튬 삽입 과정에서 O3→O1 상전이가 완전히 가역적이지 않고 상 경계면에서 부적합 전위가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 암염상이 되어 균열 발생을 위한 우선적인 핵 생성 지점을 제공합니다[1,2].

또한, 그들은 연구를 상업용 산화물 음극 재료로 확장하고 격자 전단 불안정성에 의해 유도된 O1 상 전이를 관찰했으며 O1-O3 2상 경계면의 복잡한 원자 구성을 성공적으로 해결했습니다[3].

"이 결과는 원자 규모에서 층상 산화물의 탈리튬화-격자 전단에 의해 생성된 위상 경계면 구조를 밝힌 최초의 결과입니다."

또한 O1 상전이에 초점을 맞춰 in-situ 전자현미경과 전자단층촬영 3차원 재구성 기술을 결합해 O1 상에서 암염상으로의 새로운 상전이 메커니즘을 발굴하고, O1 상전이의 3차원 구성 분석에도 앞장섰다. 층상 산화물의 균열과 그와의 관계. 상 변화의 내부 상관관계.

또한 그들은 층상 산화물에서 응력에 의해 유발된 상 변환 메커니즘을 발견하여 다중 규모 균열이 층상 산화물의 기계적 불안정성의 유일한 모드라는 기존의 이해를 뒤집었습니다. 변화 사이의 다리를 구축합니다[5].

이 일련의 연구는 층상 산화물의 O3→O1 상전이 메커니즘, 계면 구조 및 재료의 구조적 성능 저하에 미치는 영향을 포괄적으로 밝혀 차세대 음극 재료의 최적화된 설계에 대한 중요한 이론적 뒷받침을 제공합니다.

예를 들어, 위에서 언급한 기초 연구의 획기적인 발전을 기반으로 Wang Chunyang과 그의 동료들은 상용 리튬 배터리 양극 NMC보다 더 나은 성능을 갖는 다중 성분 도핑 제로 변형 코발트 프리 고니켈 층 산화물 양극 재료를 설계했습니다. 811[6] 및 상용 NMC-532[7]보다 우수한 성능을 갖는 중간에서 낮은 니켈 함량을 갖는 코발트가 없는 층상 산화물.

"NMC-811은 전기차 동력전지에 널리 사용되는 주류 상용 양극재입니다. 우리가 개발한 신규 하이니켈 양극재의 초기 용량은 NMC-811과 동일하지만, 1,000사이클 후에도 용량 유지율이 유지됩니다." 즉, 기존 하이니켈 양극재의 용량과 사이클 안정성의 역관계를 깨는 데 성공했습니다."

층상 산화물의 고장 메커니즘에 대한 새로운 이해 덕분에 새로운 층상 산화물 양극재의 개발 주기가 크게 단축되었습니다.

"우리의 연구는 O1 단계가 전통적인 연구 생각만큼 중요하지 않다는 것을 확인했습니다. 우리는 O1 단계가 구조적 저하와 기계적 불안정성을 악화시킬 수 있으므로 완전히 유해한 단계라는 것을 발견했습니다. 이를 통해 새로운 이해를 , 이제 양극 물질을 배터리에 넣고 한두 번만 작동하면 생성된 O1 상의 양으로부터 물질의 안정성을 대략적으로 유추할 수 있으므로 물질 성능 평가 기간이 크게 단축됩니다. .”라고 말했다.

그는 이어 “더 중요한 것은 O1 상전이의 본질이 격자 전단이라는 점을 고려하여 우리는 층상 산화물의 특성과 '국소적 조건에 대한 적응형 대책'에서 시작하여 격자 전단을 억제할 수 있는 방법을 설계했다. 재료의 변형을 줄입니다. 다성분 도핑 기술을 사용하면 초기 용량 손실 없이 고니켈 층 산화물 음극의 사이클 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다."

첨단 전자현미경 특성화 기술은 에너지 분야의 핵심 과학적 문제를 해결하고 신소재를 개발하는 데 중요한 역할을 합니다.

위와 같은 일련의 결과를 얻을 수 있었던 것은 전자현미경 분야의 전문지식, 특히 초고해상도 투과전자현미경 영상기술 개발 및 응용 덕분이다.

그는 “이 기술은 인공지능과 첨단 투과전자현미경 특성화 기술의 교차 융합으로 층상 산화물 양극재 기초 연구의 새로운 장을 열었다”고 말했다.

층상 산화물의 특별한 점은 리튬 이온이 결정 격자에서 빠져 나오면 물질이 불균일한 부피 변화와 국부적인 상전이를 겪게 되고 결과적인 격자 왜곡으로 인해 수집된 원자 분해 속도 이미지가 흐려진다는 것입니다. 이는 전자현미경이 "명확하게 보고" 물질의 구조를 밝히는 데 치명적인 도전 과제를 제기합니다.

이를 위해 Wang Chunyang과 그의 동료들은 이미지 분할에서 컨벌루션 신경망의 장점을 최대한 활용하고 이를 원자 해상도 투과 전자 현미경 이미징 기술과 결합하고 인공 지능 지원 초해상 이미징 기술을 개발하여 층상 산화물을 구현했습니다. -양극재료의 결정구조 및 결함에 대한 정밀한 이미징 및 분석.

"현재 이 기술의 성능은 초기 기대 이상으로 매우 좋습니다. 다음으로 우리는 인공지능 기술을 사용하여 물질 구조에 대한 원자 규모의 지능형 분석을 달성하기를 희망합니다. 이것이 우리의 향후 노력 방향 중 하나입니다." 설명하다.

또한 그와 그의 동료들은 전고체 리튬 배터리 양극재의 원자 규모 고장 메커니즘에서도 중요한 진전을 이루었습니다.

그들은 표면 "격자 조각화"와 전단 상 변형이 함께 층상 산화물의 구조적 특성을 저하시킨다는 것을 발견했습니다[8]. 이 메커니즘은 기존 액체 배터리의 메커니즘과 크게 다르며 음극 전해질이 될 것으로 예상됩니다. 전고체 배터리 인터페이스 최적화 설계는 이론적 지침을 제공합니다.

좋은 과학적 질문을 선택하는 것이 "우수한" 장비를 맹목적으로 추구하는 것보다 훨씬 더 중요합니다.

2010년 후베이성 ​​셴타오 중학교를 거쳐 중국 광업기술대학 재료공학과에 입학했다.

2014년에는 중국과학원 금속연구소에서 박사학위 과정을 추천받았습니다. (지도교수: Du Kui 연구원) 이 기간 동안 그는 주로 금속 재료에 대한 현장 정량 전자 현미경 연구와 투과 전자 현미경 3차원 이미징 기술 개발 및 응용에 참여했습니다.

2019년 박사학위를 취득한 후 캘리포니아대학교 어바인앤브룩헤이븐 국립연구소에 입학해 박사후 연구를 진행했다(공동 지도교수: Xin Huolin 교수). 이 단계에서 그는 첨단 투과전자현미경 기술의 개발 및 응용과 리튬이온 배터리 재료의 고장 메커니즘 및 구조-활성 관계에 대한 연구에 주로 참여했습니다.

그는 과학 연구 과정에서 직면하게 되는 가장 큰 과제에 대해 이야기하면서 이는 기술적 수준이 아니라 좋은 과학적 질문을 찾는 방법에서 비롯된다고 말했습니다.

그의 배터리 재료 분야를 예로 들면, 층상 산화물 양극 재료에 대한 연구는 40년 이상 지속되었습니다. 이 분야의 일반적인 견해는 층상 산화물 음극의 상변화 이론과 고장 메커니즘의 틀이 "완성"되었다는 것입니다.

“아마도 제가 이 분야에 들어왔을 때 우연히 백지 한 장을 가지고 있었기 때문에 많은 규칙에 얽매이지 않았던 것 같아요. 많은 과학자들의 눈에는 아주 어리석은 질문일지라도 나는 종종 강한 열망을 갖고 있습니다. 지식." 왕춘양이 말했다.

“가장 성취감을 느끼는 순간은 한밤중에 투과전자현미경 실험을 할 때입니다. 완전한 침묵 속에서 뇌세포와 시각세포가 고주파로 상호작용하는 순간이 느껴집니다. 세상의 진리를 깨닫고 매우 행복하다"고 말했다.

예리한 직관 및 비판적 사고와 결합된 지식에 대한 강한 열망은 층상 산화물에서 일련의 새로운 실패 메커니즘을 발견하는 능력의 핵심 원동력일 수 있습니다.

물론 그의 돌파구는 그가 받은 과학 연구 훈련과도 불가분의 관계에 있습니다.

그는 금속공학연구소에서 박사과정을 밟으면서 금속재료를 연구했는데, 이는 재료의 구조와 결함에 대한 심층적인 이해와 지식체계 구축의 탄탄한 기반을 마련했다. 이러한 교차 배경과 비대칭적 장점은 배터리 소재 분야에서 그의 혁신적인 혁신을 이루는 중요한 원동력이기도 합니다.

흥미로운 현상은 "10년 경력"의 전자현미경 연구원인 Wang Chunyang의 재료 연구 분야에서의 획기적인 발전이 "초확대경"인 투과전자현미경에 크게 의존하고 있다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 그는 과학 연구가 '장비만으로' 이루어질 수 없다는 점을 거듭 강조해 왔습니다.

그는 어떤 과학적 문제를 연구할지, 실험 설계 방법, 데이터 분석 방법, 논문 작성 방법을 궁극적으로 결정하는 것은 장비가 아니라 '사람'이라고 믿습니다. 장비나 실험기법은 '고양이'이고, 과학적인 문제는 '쥐'이다. 검은 고양이든 흰 고양이든 쥐를 잘 잡는 고양이가 좋은 고양이다.

“박사후 연구 기간 중 4분의 3은 비구면수차보정전자현미경에 관한 연구였고, 절반 이상은 현장외 연구였습니다. 많은 사람들이 이러한 장비나 기술이 장점이 없다고 생각하지만, 이는 해당 분야의 모든 사람이 우려하는 중요한 과학적 문제를 해결하는 데 방해가 되지 않습니다."라고 그는 말했습니다.

이러한 관점에서 볼 때, 좋은 과학적 질문을 선택하는 것은 "우수한" 장비를 끝없이 추구하는 것보다 훨씬 더 중요합니다.

2024년 1월 중국과학원 금속연구소에 복귀해 심양국가재료과학연구센터 연구원 및 박사 지도교수로 복귀한 것으로 알려졌다.

그는 지난 6개월 동안 평균 연령 30세에 불과한 젊은 과학 연구팀을 꾸리고 새로운 과학 연구 여정을 시작했다.

앞으로 그의 주요 연구분야는 투과전자현미경과 물질구조-활성 관계 연구이며, 기초연구의 혁신을 주도하여 차세대 고성능 리튬이온 배터리 양극재 개발에 매진할 예정이다.

“10년 전 금속공학과에 입학한 순간부터 투과전자현미경은 나에게 재료를 이해할 수 있는 문을 열어주었고, 선배들처럼 나 역시 전자현미경을 사용하여 재료와 미세구조를 이해하는 방법을 점차적으로 배웠고, 재료 사이의 내부 연결을 탐구했습니다. 물질의 구조와 특성을 이해하고 재료과학 연구를 수행하는 것은 현재의 직업일 뿐만 아니라 미래의 직업이기도 합니다.”라고 Wang Chunyang은 말했습니다.

참고자료:

1. CY Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, HL Xin. 고전압에서 LiNiO2의 O1 결함 위상 유도 비활성화에 대한 원자 규모 관찰. 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. 향상된 산소 유지 및 지연된 상 분해를 가진 화학기계적으로 안정된 초고-Ni 단결정 양극. 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. 리튬 이온 배터리를 위한 고니켈 함량 층상 양극 재료의 복잡한 층내 전이 모티프 분해. Nature Materials, 22, 235-241(2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang, LL Han, R. Zhang 등. 초고니켈 적층 구조에서 원자 규모의 상 변환 및 산소 손실 메커니즘 해결

코발트 없는 리튬 이온 배터리용 음극. 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. 리튬 이온 배터리용 고니켈 적층 양극에서 화학 기계적 응력에 의해 유도된 상 변환의 직접 관찰. Matter, 6(4), 1265-1277(2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#, CY Wang#, et al. 제로 스트레인 제로 코발트 적층형 캐소드에 대한 조성적으로 복잡한 도핑. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#, CY Wang#, et al. 저-Ni, Co-free 양극 화학으로 실현된 장수명 리튬 이온 배터리. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. 모든 고체 상태 배터리의 층상 양극의 화학 기계적 고장의 원자적 기원. Journal of the American Chemical Society, 146(26), 17712–17718(2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

운영/조판: He Chenlong

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