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El óxido en capas es uno de los materiales catódicos comerciales más utilizados y potenciales en baterías de iones de litio.

Revelar en profundidad su mecanismo de falla es crucial para el desarrollo de materiales catódicos para baterías de iones de litio de alto rendimiento de próxima generación.

Sin embargo, hasta ahora, los campos relacionados aún carecen de una comprensión profunda de la transición de fase dañina y los mecanismos de falla mecánica de dichos materiales y su impacto en el rendimiento de la batería a escala atómica.

El investigador Wang Chunyang del Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China (que realizó una investigación postdoctoral en la Universidad de California y el Laboratorio Nacional Brookhaven de 2019 a 2023) está comprometido a resolver este importante desafío en el campo mundial de las baterías.

Él y sus colaboradores desarrollaron una tecnología de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de superresolución fusionando el aprendizaje profundo con imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica, y utilizaron esta tecnología para revelar en profundidad la compleja estructura de la interfaz de fase y la estructura de fases en materiales de cátodos de óxido en capas para litio. Baterías de iones. Mecanismo de falla variable y mecanismo de inestabilidad mecánica.

Debido a sus importantes contribuciones al desarrollo y aplicación de la tecnología de microscopía electrónica de transmisión de inteligencia artificial, así como a la investigación sobre el mecanismo de falla de óxidos en capas y el desarrollo de nuevos materiales, se convirtió en uno de los "35 científicos y científicos" de 2023 de MIT Technology Review. Innovadores Tecnológicos Menores de 35" China Uno de los candidatos seleccionados.

Revelar el mecanismo de falla de los cátodos de óxido en capas para baterías de litio para guiar el desarrollo de materiales para cátodos de baterías de próxima generación

Las baterías de iones de litio son una de las soluciones de almacenamiento de energía más utilizadas en los vehículos eléctricos en la actualidad. Los materiales catódicos de óxido en capas desempeñan un papel clave en las baterías de iones de litio.

Actualmente, este tipo de material enfrenta enormes desafíos durante los ciclos de carga y descarga de la batería, es decir, los óxidos en capas inevitablemente sufrirán una serie de complejos problemas de degradación de transición de fase y falla por tensión.

Especialmente para los cátodos de óxido con alto contenido de níquel existentes, cuanto mayor es la autonomía de crucero inicial de los vehículos eléctricos, más rápido disminuye su rendimiento.

En otras palabras, existe una relación inversa entre la densidad de energía y la estabilidad del ciclo del cátodo de óxido en capas de la batería de litio, y los dos no pueden quedarse con el pastel y comérselo también.

"Cómo hacer que los vehículos eléctricos tengan una alta autonomía de crucero inicial y aún mantengan una capacidad del 80% o incluso más después de que la batería se cargue y descargue miles de veces es uno de los problemas que los científicos en el campo actual de las baterías quieren resolver. superar esto "El primer paso es descubrir cómo fallan o se descomponen los materiales existentes", dijo.

En respuesta a esto, él y sus colaboradores llevaron a cabo un estudio sistemático y en profundidad de la degradación de la transición de fase y los mecanismos de falla mecánica de óxidos en capas a escala nanoatómica basado en tecnología de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de súper resolución.

Revelaron la transición de fase O3→O1 causada por la delitiación y la inestabilidad de la red en óxidos en capas a escala atómica, y descubrieron que la transición de fase O3→O1 no era completamente reversible durante el proceso de inserción de litio, y se produjeron dislocaciones de desajuste en la interfaz de fase. Convertirse en una fase de sal gema y proporcionar sitios de nucleación preferenciales para el inicio del crack [1,2].

Además, ampliaron su investigación a materiales de cátodos de óxido comerciales, observaron la transición de fase O1 inducida por la inestabilidad de corte de la red y resolvieron con éxito la compleja configuración atómica de la interfaz de dos fases O1-O3 [3].

"Este resultado es el primero en revelar la estructura de la interfaz de fase generada por el corte de la red de delitación en óxidos en capas a escala atómica".

Centrándose en la transición de fase O1, también combinaron la tecnología de reconstrucción tridimensional de microscopía electrónica in situ y tomografía electrónica para descubrir un nuevo mecanismo de transición de fase de la fase O1 a la fase de sal gema, y ​​tomaron la iniciativa en el análisis de la configuración tridimensional de Grietas en óxidos estratificados y su relación con ellos. La correlación interna de los cambios de fase [4].

Además, también descubrieron el mecanismo de transformación de fase inducida por tensión en los óxidos en capas, subvirtiendo la comprensión tradicional de que el craqueo a múltiples escalas es el único modo de inestabilidad mecánica de los óxidos en capas.

Esta serie de estudios reveló de manera integral el mecanismo de transición de fase O3 → O1 en óxidos en capas, la estructura de la interfaz y su impacto en la degradación del rendimiento estructural del material, proporcionando un importante apoyo teórico para el diseño optimizado de materiales catódicos de próxima generación.

Por ejemplo, basándose en los avances mencionados anteriormente en la investigación básica, Wang Chunyang y sus colaboradores diseñaron un material de cátodo de óxido con alto contenido de níquel y dopado con múltiples componentes, sin deformación cero y sin cobalto, que tiene un mejor rendimiento que el cátodo de batería de litio comercial NMC- 811 [6] y un óxido en capas sin cobalto con contenido de níquel medio a bajo que tiene mejor rendimiento que el NMC-532 comercial [7].

"NMC-811 es un material catódico comercial convencional ampliamente utilizado en baterías de vehículos eléctricos. La capacidad inicial del nuevo material catódico con alto contenido de níquel que desarrollamos es equivalente a NMC-811, pero después de 1.000 ciclos, su tasa de retención de capacidad aún puede alcanzar más del 85%, que es mucho más alto que este último. En otras palabras, hemos roto con éxito la relación invertida entre la capacidad y la estabilidad del ciclo de los materiales catódicos con alto contenido de níquel existentes".

Gracias a la nueva comprensión del mecanismo de falla de los óxidos en capas, el ciclo de desarrollo de nuevos materiales de cátodos de óxido en capas se ha acortado considerablemente.

"Nuestra investigación confirmó que la fase O1 no es tan insignificante como pensaban las investigaciones tradicionales. Descubrimos que la fase O1 puede agravar la degradación estructural y la inestabilidad mecánica, por lo que es una fase totalmente dañina. Con esto Con esta nueva comprensión , ahora solo necesitamos colocar el material del cátodo en la batería y hacerla funcionar una o dos veces, y podemos inferir aproximadamente la estabilidad del material a partir de la cantidad de fase O1 generada, acortando así en gran medida el período de evaluación del rendimiento del material. . " él dijo.

Continuó: "Más importante aún, considerando que la esencia de la transición de fase O1 es el corte de la red, partimos de las características de los óxidos en capas y las 'medidas adaptadas a las condiciones locales' para diseñar un método que pueda suprimir el corte de la red. Estrategia de modificación de materiales para reducir la tensión del material: la tecnología de dopaje multicomponente nos permite mejorar significativamente el ciclo de vida de los cátodos de óxido con capas de níquel sin perder la capacidad inicial”.

La tecnología avanzada de caracterización por microscopía electrónica desempeña un papel importante en la resolución de problemas científicos fundamentales en el campo de la energía y el desarrollo de nuevos materiales.

Pudo lograr la serie de resultados anterior gracias a su experiencia en microscopía electrónica, especialmente en el desarrollo y aplicación de tecnología de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de súper resolución.

"Esta tecnología es una fusión cruzada de inteligencia artificial y tecnología avanzada de caracterización por microscopía electrónica de transmisión, lo que abre una nueva puerta para la investigación básica sobre materiales de cátodos de óxido en capas".

Lo especial de los óxidos en capas es que una vez que los iones de litio se extraen de la red cristalina, el material sufrirá cambios de volumen no uniformes y transiciones de fase locales, y la distorsión de la red resultante conducirá a que la imagen de velocidad recogida se resuelva atómicamente se vuelva borrosa. e ininterpretable, lo que plantea un desafío fatal para los microscopistas electrónicos para "ver claramente" y revelar la estructura del material.

Con este fin, Wang Chunyang y sus colaboradores aprovecharon al máximo las ventajas de las redes neuronales convolucionales en la segmentación de imágenes, las combinaron con la tecnología de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de resolución atómica y desarrollaron una tecnología de imágenes de superresolución asistida por inteligencia artificial para lograr óxido en capas. -imágenes de precisión y análisis de la estructura cristalina y defectos de los materiales catódicos.

"El rendimiento actual de esta tecnología es muy bueno, incluso más allá de nuestras expectativas iniciales. A continuación, esperamos utilizar tecnología de inteligencia artificial para lograr un análisis inteligente de la estructura material a escala atómica. Ésta es una de las direcciones de nuestros esfuerzos futuros". explicar.

Además, él y sus colaboradores también han logrado avances importantes en el mecanismo de falla a escala atómica de los materiales catódicos de baterías de litio de estado sólido.

Descubrieron que la "fragmentación de la red" de la superficie y la transformación de la fase de corte conducen conjuntamente a la degradación de las propiedades estructurales de los óxidos en capas [8]. Este mecanismo es significativamente diferente del de las baterías líquidas tradicionales, y se espera que sea el cátodo-electrolito de. Las baterías totalmente de estado sólido. El diseño de optimización de la interfaz proporciona orientación teórica.

Elegir una buena pregunta científica es mucho más importante que buscar ciegamente el equipo "superior".

En 2010, fue admitido en la Universidad de Minería y Tecnología de China con especialización en ciencia e ingeniería de materiales de la escuela secundaria Xiantao en la provincia de Hubei.

En 2014, le recomendaron realizar estudios de doctorado en el Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China (Supervisor: Investigador Du Kui). Durante este período, se dedicó principalmente a la investigación de microscopía electrónica cuantitativa in situ en materiales metálicos y al desarrollo y aplicación de la tecnología de imágenes tridimensionales de microscopía electrónica de transmisión.

Después de recibir su doctorado en 2019, ingresó al Laboratorio Nacional de Irvine y Brookhaven de la Universidad de California para realizar una investigación postdoctoral (codirector: profesor Xin Huolin). En esta etapa, se dedicaba principalmente al desarrollo y aplicación de tecnología avanzada de microscopía electrónica de transmisión y a la investigación sobre el mecanismo de falla y la relación estructura-actividad de los materiales de las baterías de iones de litio.

Al referirse al mayor desafío que enfrenta el proceso de investigación científica, dijo que no proviene del nivel técnico, sino de cómo encontrar buenas preguntas científicas.

Tomando como ejemplo su campo de materiales para baterías, la investigación sobre materiales de cátodos de óxido en capas ha durado más de cuarenta años. Una opinión común en el campo es que el marco de la teoría del cambio de fase y el mecanismo de falla de los cátodos de óxido en capas se ha "completado".

"Tal vez sea porque tenía una hoja de papel en blanco cuando entré en este campo, por lo que no estaba sujeto a muchas reglas. Incluso si es una pregunta muy estúpida a los ojos de muchos científicos, a menudo tengo un fuerte deseo de conocimiento ", dijo Wang Chunyang.

“Los momentos en los que me siento más realizado suelen ser cuando hago experimentos de microscopía electrónica de transmisión en medio de la noche, en completo silencio, las células cerebrales y las células visuales interactúan entre sí a alta frecuencia. He comprendido la verdad del mundo y me siento extremadamente feliz", continuó.

Un fuerte deseo de conocimiento, junto con una aguda intuición y un pensamiento crítico, puede ser la fuerza impulsora principal detrás de su capacidad para descubrir una serie de nuevos mecanismos de falla en óxidos en capas.

Por supuesto, su avance también es inseparable de la formación en investigación científica que recibió.

Durante sus estudios de doctorado en el Instituto de Metalurgia, estudió materiales metálicos, lo que sentó una base sólida para su conocimiento profundo de las estructuras y defectos de los materiales y el establecimiento de un sistema de conocimiento. Estos antecedentes cruzados y ventajas asimétricas también son una fuerza impulsora importante para sus avances innovadores en el campo de los materiales para baterías.

Un fenómeno interesante es que, como investigador de microscopía electrónica con "diez años de servicio", los avances de Wang Chunyang en el campo de la investigación de materiales se basan en gran medida en la "súper lupa": el microscopio electrónico de transmisión. A pesar de ello, ha subrayado repetidamente que la investigación científica no puede limitarse "sólo a los equipos".

Él cree que son las "personas" quienes en última instancia deciden qué cuestiones científicas estudiar, cómo diseñar experimentos, analizar datos y escribir artículos, no el equipo. El equipo o técnica experimental es el "gato" y el problema científico es el "ratón". Gato negro o gato blanco, el que caza ratones es un buen gato.

“Tres cuartas partes de la investigación durante mi período postdoctoral se realizaron con microscopios electrónicos asféricos con corrección de aberración, y más de la mitad del trabajo fue investigación fuera de sitio. Mucha gente piensa que estos equipos o tecnologías no tienen ventajas, pero sí lo son. no nos impide resolver cuestiones científicas importantes que preocupan a todos en este campo", afirmó.

Desde esta perspectiva, elegir una buena pregunta científica es mucho más importante que buscar interminablemente el equipo "superior".

Se entiende que en enero de 2024 regresó al Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China, como investigador y supervisor de doctorado en el Centro Nacional de Investigación de Ciencia de Materiales de Shenyang.

En los últimos seis meses, formó un joven equipo de investigación científica con una edad promedio de solo 30 años y comenzó un nuevo viaje de investigación científica.

En el futuro, sus principales intereses de investigación serán la microscopía electrónica de transmisión y la investigación de la relación estructura-actividad del material, y se comprometerá a desarrollar la próxima generación de materiales catódicos para baterías de iones de litio de alto rendimiento liderados por avances en la investigación básica.

“Hace diez años, desde el momento en que ingresé al Instituto de Metalurgia, la microscopía electrónica de transmisión me abrió la puerta a comprender los materiales y, al igual que mis predecesores, aprendí gradualmente a utilizar la microscopía electrónica para comprender la microestructura, explorando la conexión interna entre ellos. la estructura y las propiedades de los materiales, comprender el mundo físico y realizar investigaciones científicas sobre los materiales no son sólo mi carrera actual, sino también mi carrera en el futuro”, dijo Wang Chunyang.

Referencias:

1. CY Wang, R. Zhang, K. Kisslinger, HL Xin. Observación a escala atómica de la desactivación inducida por la fase de falla O1 de LiNiO2 a alto voltaje. 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. Cátodos monocristalinos con ultra alto contenido de níquel y quimiomecánicamente estables con retención de oxígeno mejorada y degradaciones de fase retardadas. 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. Resolución de motivos de transición intracapa complejos en materiales de cátodos en capas con alto contenido de níquel para baterías de iones de litio. Nature Materials, 22, 235-241 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang, LL Han, R. Zhang, et al. Resolución de la transformación de fase a escala atómica y el mecanismo de pérdida de oxígeno en capas de níquel ultraalto

Cátodos para baterías de iones de litio sin cobalto. 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. Observación directa de la transformación de fase inducida por estrés quimiomecánico en cátodos estratificados con alto contenido de níquel para baterías de iones de litio. Matter, 6(4), 1265-1277 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#, CY Wang#, et al. Dopaje composicionalmente complejo para cátodos estratificados sin cobalto y sin deformación. Nature, 610, 67–73 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#, CY Wang#, et al. Baterías de iones de litio de larga duración obtenidas mediante química de cátodos con bajo contenido de níquel y sin cobalto. Nature Energy, 8, 695–702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang, YQ Jing, D. Zhu, HL Xin. Origen atómico de la falla quimiomecánica de los cátodos en capas en baterías de estado sólido. Journal of the American Chemical Society, 146 (26), 17712–17718 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

Operación/composición tipográfica: He Chenlong

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