História de Sucesso do Cliente – Laboratório do Professor Sun Yang-kook, Departamento de Engenharia de Energia da Universidade Hanyang

Este é um caso de sucesso de um cliente que possui o equipamento de XRD da Malvern Panalytical, ‘Empyrean’.

Trata-se de um caso de sucesso sobre a análise precisa de materiais catódicos para baterias de íons de lítio avançadas e sistemas de baterias da próxima geração, onde conhecemos o pesquisador Nam-yeong Park do laboratório do Professor Sun Yang-kook da Universidade Hanyang.

P. Quais pesquisas você está conduzindo?

Nosso laboratório se concentra no desenvolvimento de materiais anódicos para baterias de íons de lítio avançadas e sistemas de baterias da próxima geração, buscando maior capacidade, ciclos mais longos e materiais de bateria mais seguros. Com uma compreensão fundamental das propriedades físicas e eletroquímicas dos materiais, desenvolvemos e avaliamos materiais catódicos inovadores para melhorar a densidade de energia, vida útil do ciclo e estabilidade das baterias de íons de lítio. Colaboramos com empresas químicas, de segunda bateria e automotivas nacionais e internacionais para realizar pesquisas e desenvolvimentos de tecnologias essenciais baseados em nossa compreensão e experiência em tecnologias de comercialização. Além disso, exploramos e realizamos sistemas de bateria de última geração, trabalhando para criar um mundo mais sustentável no futuro utilizando esses materiais de bateria inovadores.

P. Quais são os desafios mais importantes que você enfrenta e quais são as questões a serem resolvidas?

À medida que o teor de Ni no anodo Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2 (NCM) aumenta para mais de 60%, a microfissuração induzida pelo acúmulo de deformação anisotrópica durante a transição de fase H2-H3 aumenta drasticamente devido à mudança abrupta no volume da rede. As microfissuras consequentes nas partículas ricas em Ni podem criar canais para a penetração do eletrólito nas partículas, aumentando a área de superfície exposta ao ataque do eletrólito. Para mitigar a degradação do material anódico rico em Ni, nosso laboratório foca na modificação da microestrutura para dispersar a deformação interna causada pelas mudanças no volume da rede.

A microestrutura do material catódico é principalmente determinada pelo precursor de hidróxido e pelo processo de calcinação. Quando a mistura de precursor de hidróxido e hidróxido de lítio é sinterizada a alta temperatura (700~800^oC), forma-se uma estrutura cristalina em camadas capaz de (des)inserir íons Li+. No entanto, o aumento granulométrico das partículas primárias durante a calcinação pode destruir a microestrutura, comprometendo a estabilidade mecânica do anodo para a formação de microfissuras. Por outro lado, limitar a temperatura de calcinação ou o tempo de secagem para ajustar a forma das partículas primárias impede a completa cristalização do anodo. A subsequente mistura catiónica pode prejudicar o comportamento cíclico. Portanto, alcançar a cristalização completa sem o aumento da granulação dos materiais catódicos é um dos principais desafios a ser resolvido.

P. Você pode explicar as abordagens/soluções consideradas e o processo de avaliação e seleção?

Geralmente, existe uma temperatura ótima para a cristalização completa do precursor de hidróxido durante a calcinação. Enquanto altas temperaturas podem annealing defeitos estruturais, como excessivos defeitos anti-site, temperaturas exageradamente altas induzem deficiência de Li e mistura catiónica. Devido às semelhanças nos raios de Li⁺ (0,076 nm) e Ni²⁺ (0,069 nm), o grau de mistura catiônica resultante da troca de sites Li/Ni pode ser usado para julgar a cristalinidade de uma estrutura em camadas. Combinando informações sobre a microestrutura dos anodos obtidas por microscopia eletrônica de varredura (SEM) e o desempenho eletroquímico de cada um, determinamos a temperatura de calcinação ótima dos materiais anódicos.

P. Quais técnicas de caracterização você utilizou antes de usar o XRD da Malvern Panalytical?

Antes de usar o XRD, realizamos análises de XRD utilizando o acelerador de partículas em Pohang. Também realizamos análises de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para confirmar a estrutura cristalina em nível atômico.

P. Por que escolheu os equipamentos da Malvern Panalytical e como eles são adequados ao seu processo de fabricação/pesquisa/desenvolvimento?

Precisávamos de um equipamento de análise XRD compacto e potente que pudesse ser instalado em nosso laboratório, pois a XRD fornece muitas informações sobre estrutura cristalina. O sistema XRD da Malvern Panalytical pode analisar não apenas amostras em pó, mas também células do tipo pouch sem desmontá-las. A análise XRD in situ da bateria pode fornecer mudanças estruturais detalhadas durante a carga/descarga da bateria. Como o mecanismo de redução de capacidade de materiais anódicos ricos em Ni é grandemente ditado pela transição de fase H2-H3, onde mudanças estruturais abruptas ocorrem, analisar as mudanças estruturais do anodo sem desmontar a célula é um ponto crucial no desenvolvimento de materiais anódicos ricos em Ni de alta energia.

P. Como a Malvern Panalytical tem apoiado sua pesquisa e quais equipamentos da Malvern Panalytical você está utilizando? Quais resultados você está obtendo com este equipamento?

Nosso laboratório possui o equipamento XRD de piso ‘Empyrean’, que pode ser analisado tanto em modo de reflexão quanto de transmissão. O modo de reflexão é utilizado para analisar amostras em pó de anodo para determinar os parâmetros da rede e as camadas, enquanto o modo de transmissão é empregado para analisar células do tipo pouch, compostas por muitos componentes (eletrodos, separadores, bolsas de alumínio, etc.). Durante a carga e descarga da célula, analisamos o deslocamento dos picos, correlacionados às mudanças estruturais nos materiais anódicos. Podemos, por exemplo, analisar as mudanças nos parâmetros da rede dos materiais anódicos devido à sua composição química utilizando refinamento de Rietveld. Além disso, é possível comparar a reversibilidade estrutural dos materiais anódicos por deconvolução das reflexões (003) durante a transição de fase H2-H3. As informações estruturais dos materiais anódicos obtidas através das analises XRD correspondem bem às nossas expectativas.

P. Quais benefícios práticos demonstrados você tem observado ao utilizar equipamentos da Malvern Panalytical?

A interface intuitiva permite uma análise precisa. Além disso, há flexibilidade em utilizar acessórios variados conforme a finalidade desejada.

P. Como você acha que os equipamentos da Malvern Panalytical contribuirão no futuro, e você espera desenvolver ou expandir suas aplicações no sistema?

Nosso laboratório planeja executar uma análise TR(Time-resolved)-XRD usando uma câmara de reação de alta temperatura. Com a análise TR-XRD, é possível analisar as mudanças de fase durante o tratamento térmico em tempo real, de forma semelhante ao processo de calcinação real.

P. Qual é sua expectativa em colaborar com a Malvern Panalytical para seus trabalhos futuros?

Prevemos que será de grande ajuda na análise de estrutura cristalina, não apenas para a análise de materiais catódicos onde a estrutura cristalina está fortemente correlacionada com o desempenho eletroquímico, mas também para materiais de bateria de próxima geração (baterias de estado sólido, baterias de lítio-enxofre).

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