Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Слоистый оксид является одним из наиболее широко используемых и потенциальных коммерческих катодных материалов в литий-ионных батареях.

Глубокое выявление механизма его отказа имеет решающее значение для разработки высокоэффективных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.

Однако до сих пор в смежных областях все еще отсутствует глубокое понимание вредных фазовых переходов и механизмов механического разрушения таких материалов, а также их влияния на производительность аккумуляторов на атомном уровне.

Исследователь Ван Чуньян из Института исследования металлов Китайской академии наук (который проводил постдокторские исследования в Калифорнийском университете и Брукхейвенской национальной лаборатории с 2019 по 2023 год) стремится решить эту серьезную проблему в глобальной области аккумуляторов.

Он и его сотрудники разработали технологию визуализации просвечивающей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения, объединив глубокое обучение с визуализацией сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением, и использовали эту технологию для глубокого выявления сложной структуры межфазной границы и фазовой структуры в материалах слоистых оксидных катодов для литий-ионных металлов. ионные батареи. Переменный механизм отказа и механизм механической нестабильности.

Благодаря его важному вкладу в разработку и применение технологии трансмиссионной электронной микроскопии с искусственным интеллектом, а также за исследования механизма разрушения слоистых оксидов и разработку новых материалов, он вошел в число «35 научных и научных исследований» журнала MIT Technology Review за 2023 год. Технологические новаторы до 35 лет Китай Один из выбранных кандидатов.

Выявление механизма разрушения слоистых оксидных катодов литиевых батарей для разработки катодных материалов для батарей следующего поколения

Литий-ионные аккумуляторы сегодня являются одним из наиболее часто используемых решений для хранения энергии в электромобилях. Слоистые оксидные катодные материалы играют ключевую роль в литий-ионных батареях.

В настоящее время этот тип материала сталкивается с огромными проблемами во время циклов зарядки и разрядки аккумулятора, то есть слоистые оксиды неизбежно подвергаются ряду сложных проблем деградации при фазовом переходе и разрушения под напряжением.

Особенно для существующих катодов из слоистого оксида никеля: чем выше начальный запас хода электромобилей, тем быстрее снижается их производительность.

Другими словами, существует обратная зависимость между плотностью энергии и стабильностью цикла многослойного оксидного катода литиевой батареи, и они не могут одновременно получить свой пирог и съесть его.

«Как заставить электромобили иметь высокий начальный запас хода и при этом сохранять емкость 80% или даже выше после того, как аккумулятор заряжается и разряжается тысячи раз, — это одна из проблем, которую ученые в современной области аккумуляторов хотят решить больше всего. Чтобы преодолеть эту проблему, «первый шаг — выяснить, почему существующие материалы выходят из строя или ломаются», — сказал он.

В ответ на это он и его сотрудники провели систематическое и углубленное исследование механизмов деградации фазового перехода и механического разрушения слоистых оксидов на наноатомном уровне на основе технологии визуализации просвечивающей электронной микроскопии сверхразрешения.

Они выявили фазовый переход O3 → O1, вызванный делитированием и нестабильностью решетки в слоистых оксидах на атомном уровне, и обнаружили, что фазовый переход O3 → O1 не был полностью обратимым в процессе внедрения лития, и на границе раздела фаз возникали дислокации несоответствия. Становится фазой каменной соли и обеспечивает предпочтительные места зарождения для зарождения трещин [1,2].

Далее они распространили свои исследования на коммерческие оксидные катодные материалы, наблюдали фазовый переход O1, вызванный сдвиговой нестабильностью решетки, и успешно разрешили сложную атомную конфигурацию двухфазной границы раздела O1-O3 [3].

«Этот результат впервые раскрывает структуру межфазной границы, возникающую в результате разделения решеток в слоистых оксидах на атомном уровне».

Сосредоточив внимание на фазовом переходе O1, они также объединили технологию трехмерной реконструкции in-situ электронной микроскопии и электронной томографии, чтобы открыть новый механизм фазового перехода из фазы O1 в фазу каменной соли, и взяли на себя ведущую роль в анализе трехмерной конфигурации Трещины в слоистых оксидах и их связь с ними. Внутренняя корреляция фазовых превращений [4].

Кроме того, они также обнаружили механизм фазового превращения, вызванный напряжением, в слоистых оксидах, разрушив традиционное представление о том, что многомасштабное растрескивание является единственным способом механической нестабильности слоистых оксидов. Постройте мост между изменениями [5].

Эта серия исследований всесторонне выявила механизм фазового перехода O3 → O1 в слоистых оксидах, структуру интерфейса и ее влияние на ухудшение структурных характеристик материала, обеспечив важную теоретическую поддержку для оптимизированной конструкции катодных материалов следующего поколения.

Например, основываясь на вышеупомянутых прорывах в фундаментальных исследованиях, Ван Чуньян и его сотрудники разработали многокомпонентный легированный, не содержащий кобальта, с высоким содержанием никеля, многослойный оксидный катодный материал с нулевой деформацией, который имеет лучшие характеристики, чем коммерческий катод NMC-литиевой батареи. 811 [6] и не содержащий кобальта слоистый оксид со средним и низким содержанием никеля, который имеет лучшие характеристики, чем коммерческий NMC-532 [7].

«NMC-811 является основным коммерческим катодным материалом, широко используемым в аккумуляторах электромобилей. Первоначальная емкость нового катодного материала с высоким содержанием никеля, который мы разработали, эквивалентна NMC-811, но после 1000 циклов его скорость сохранения емкости все еще может достичь более 85%, что намного выше последнего. Другими словами, мы успешно сломали обратную зависимость между емкостью и стабильностью цикла существующих катодных материалов с высоким содержанием никеля».

Благодаря новому пониманию механизма разрушения слоистых оксидов цикл разработки новых слоистых оксидных катодных материалов значительно сократился.

«Наше исследование подтвердило, что фаза O1 не так незначительна, как традиционная исследовательская мысль. Мы обнаружили, что фаза O1 может как усугублять структурную деградацию, так и механическую нестабильность, поэтому это совершенно опасная фаза. С этим новым пониманием Теперь нам нужно всего лишь поместить катодный материал в батарею и запустить ее один или два раза, и мы можем грубо сделать вывод о стабильности материала по количеству образующейся фазы O1, что значительно сокращает период оценки характеристик материала. . " он сказал.

Он продолжил: «Что еще более важно, учитывая, что суть фазового перехода O1 заключается в сдвиге решетки, мы начали с характеристик слоистых оксидов и «мер, адаптированных к местным условиям», чтобы разработать метод, который может подавить сдвиг решетки. снизить деформацию материала — технология многокомпонентного легирования позволяет значительно увеличить срок службы высоконикелевых слоистых оксидных катодов без потери начальной емкости».

Передовые технологии электронной микроскопии играют важную роль в решении основных научных проблем в области энергетики и разработке новых материалов.

Ему удалось достичь вышеуказанных результатов благодаря своему опыту в области электронной микроскопии, особенно в разработке и применении технологии визуализации просвечивающей электронной микроскопии со сверхвысоким разрешением.

«Эта технология представляет собой перекрестное слияние искусственного интеллекта и передовой технологии определения характеристик с помощью трансмиссионной электронной микроскопии, открывая новые возможности для фундаментальных исследований материалов со слоистыми оксидами».

Особенность слоистых оксидов заключается в том, что как только ионы лития вытягиваются из кристаллической решетки, материал претерпевает неравномерные изменения объема и локальные фазовые переходы, и возникающее в результате искажение решетки приведет к тому, что собранное атомно-разрешенное изображение станет размытым. и не поддается интерпретации, что ставит перед электронными микроскопами фатальную задачу «ясно увидеть» и выявить структуру материала.

С этой целью Ван Чуньян и его коллеги в полной мере использовали преимущества сверточных нейронных сетей в сегментации изображений, объединили их с технологией визуализации трансмиссионной электронной микроскопии с атомным разрешением и разработали технологию визуализации сверхвысокого разрешения с помощью искусственного интеллекта для получения многослойного оксида высокого разрешения. - прецизионное изображение и анализ кристаллической структуры и дефектов катодных материалов.

«Текущая производительность этой технологии очень хороша, даже превосходит наши первоначальные ожидания. Далее мы надеемся использовать технологию искусственного интеллекта для интеллектуального анализа структуры материала на атомном уровне. Это одно из направлений наших будущих усилий». объяснять.

Кроме того, он и его сотрудники также добились важного прогресса в изучении механизма разрушения катодных материалов твердотельных литиевых батарей на атомном уровне.

Они обнаружили, что поверхностная «фрагментация решетки» и сдвиговая фазовая трансформация совместно приводят к ухудшению структурных свойств слоистых оксидов [8]. Этот механизм существенно отличается от такового в традиционных жидких батареях и, как ожидается, является катод-электролитом. Полностью твердотельные батареи. Проект оптимизации интерфейса обеспечивает теоретическое руководство.

Выбор хорошего научного вопроса гораздо важнее, чем слепая погоня за «превосходным» оборудованием.

В 2010 году он поступил в Китайский горно-технологический университет по специальности «Материаловедение и инженерия» в среднюю школу Сяньтао в провинции Хубэй.

В 2014 году ему было рекомендовано обучение в докторантуре в Институте исследования металлов Китайской академии наук (научный руководитель: научный сотрудник Ду Куй). В этот период он в основном занимался исследованиями металлических материалов с помощью количественной электронной микроскопии in-situ, а также разработкой и применением технологии трехмерной визуализации просвечивающей электронной микроскопии.

После получения докторской степени в 2019 году он поступил в Национальную лабораторию Калифорнийского университета в Ирвайне и Брукхейвене для проведения постдокторских исследований (соруководитель: профессор Синь Хуолинь). На этом этапе он в основном занимался разработкой и применением передовых технологий просвечивающей электронной микроскопии, а также исследованием механизма разрушения и взаимосвязи структуры и активности материалов литий-ионных аккумуляторов.

Говоря о самой большой проблеме, с которой сталкиваются в процессе научных исследований, он сказал, что она связана не с техническим уровнем, а с тем, как найти хорошие научные вопросы.

Если взять в качестве примера его область аккумуляторных материалов, то исследования материалов со слоистыми оксидными катодами продолжаются более сорока лет. В этой области распространено мнение, что основа теории фазового перехода и механизма разрушения слоистых оксидных катодов «завершена».

«Может быть, это потому, что, когда я вошел в эту область, у меня был чистый лист бумаги, поэтому я не был связан многими правилами. Даже если это очень глупый вопрос в глазах многих ученых, у меня часто возникает сильное желание знания», — сказал Ван Чуньян.

«Время, когда я чувствую себя наиболее успешным, часто приходится на эксперименты с трансмиссионной электронной микроскопией посреди ночи. В полной тишине клетки мозга и зрительные клетки взаимодействуют друг с другом на высокой частоте. На мгновение я чувствую, что я. постигли истину мира и почувствовали себя чрезвычайно счастливыми», — продолжил он.

Сильное стремление к знаниям в сочетании с острой интуицией и критическим мышлением может быть основной движущей силой его способности открывать ряд новых механизмов разрушения в слоистых оксидах.

Конечно, его прорыв также неотделим от полученной им научной исследовательской подготовки.

Во время учебы в докторантуре в Институте металлургии он изучал металлические материалы, что заложило прочную основу для его глубокого понимания структуры и дефектов материалов и создания системы знаний. Это перекрестное происхождение и асимметричные преимущества также являются важной движущей силой его инновационных прорывов в области материалов для аккумуляторов.

Интересным феноменом является то, что Ван Чуньянг, как исследователь электронной микроскопии с «десятилетним стажем», в значительной степени опирается на «суперлупу» — просвечивающий электронный микроскоп. Несмотря на это, он неоднократно подчеркивал, что научные исследования не могут проводиться «только с помощью оборудования».

Он считает, что именно «люди» в конечном итоге решают, какие научные вопросы изучать, как планировать эксперименты, анализировать данные и писать статьи, а не оборудование. Оборудование или экспериментальная техника — это «кошка», а научная проблема — «мышь». Черный кот или белый кот, тот, кто ловит мышей, тот хороший кот.

«Три четверти исследований во время моего постдокторского периода было выполнено на электронных микроскопах с асферической коррекцией аберраций, а более половины работы было исследованием за пределами места. Многие думают, что у этого оборудования или технологий нет преимуществ, но они есть. Это не мешает нам решать важные научные проблемы, которые волнуют всех в этой области», — сказал он.

С этой точки зрения выбор хорошего научного вопроса гораздо важнее, чем бесконечная погоня за «превосходным» оборудованием.

Предполагается, что в январе 2024 года он вернулся в Институт исследования металлов Китайской академии наук в качестве исследователя и руководителя докторантуры в Шэньянском национальном исследовательском центре материаловедения.

За последние шесть месяцев он сформировал молодую научно-исследовательскую группу, средний возраст которой составляет всего 30 лет, и начал новое научно-исследовательское путешествие.

В будущем его основными исследовательскими интересами будут трансмиссионная электронная микроскопия и исследование взаимосвязей между структурой и активностью материала, а также он будет заниматься разработкой нового поколения высокоэффективных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, опираясь на прорывы в фундаментальных исследованиях.

«Десять лет назад, с того момента, как я поступил в Институт металлургии, трансмиссионная электронная микроскопия открыла мне дверь к пониманию материалов, и, как и мои предшественники, я постепенно научился использовать электронную микроскопию для понимания микроструктуры материалов, исследуя внутреннюю связь между ними. структура и свойства материалов. Понимание физического мира и проведение исследований в области материаловедения — это не только моя нынешняя карьера, но и моя карьера в будущем», — сказал Ван Чуньян.

Использованная литература:

1. CY Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, HL Xin. Наблюдение в атомном масштабе дезактивации LiNiO2, вызванной дефектной фазой O1 при высоком напряжении. 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. Химико-механически стабильные сверхвысоконикелевые монокристаллические катоды с улучшенным удержанием кислорода и замедленной фазовой деградацией. 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. Разрешение сложных внутрислойных переходных мотивов в слоистых катодных материалах с высоким содержанием никеля для литий-ионных аккумуляторов. Nature Materials, 22, 235-241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang, LL Han, R. Zhang и др. Разрешение фазовых превращений на атомном уровне и механизма потери кислорода в сверхвысоконикелевых слоистом сплаве

Катоды для литий-ионных аккумуляторов без кобальта. 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. Прямое наблюдение за хемомеханическим стресс-индуцированным фазовым превращением в высоконикелевых слоистых катодах для литий-ионных аккумуляторов. Matter, 6(4), 1265-1277 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#, CY Wang# и др. Композиционно сложное легирование для катодов с нулевым напряжением и нулевым кобальтовым слоем. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#, CY Wang# и др. Долговечные литий-ионные аккумуляторы, созданные на основе химии катода с низким содержанием никеля и без содержания кобальта. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. Атомное происхождение химико-механического отказа слоистых катодов в твердотельных батареях. Журнал Американского химического общества, 146 (26), 17712–17718 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

Операция/набор: Хэ Ченлун

02/

03/

04/

05/