Analyse von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien und zukünftige Batteriesysteme mittels XRD

Hier berichten wir über die Rückmeldung von Hanyang University in Korea.

Die Hanyang Universität besitzt ein XRD-Gerät Empyrean von Malvern Panalytical. Die Universität forscht an der Analyse von Kathodenmaterialien für modernste Lithium-Ionen-Batterien und zukünftige Batteriesysteme.

Benutzer

Nam-Yung Park (박남영)
Hanyang University (한양대) Department für Energieingenieurwesen (에너지공학과),
Prof Yang-Kook Sun (2022 hochzitiertes Forscher im Bereich Materialwissenschaften)
Labor für Energiespeicher- & Umwandlungsmaterialien

Bitte erzählen Sie uns von Ihrem Forschungsthema

Unser Labor arbeitet an der Forschung und Entwicklung von Kathodenmaterialien für moderne Lithium-Ionen-Batterien und zukünftige Systeme mit Fokus auf höhere Kapazität, längere Lebenszyklen und sicherere Batterieanwendungen. Basierend auf dem grundlegenden Verständnis der physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der Materialien entwickeln und bewerten wir innovative Kathodenmaterialien zur Verbesserung der Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.

Gemeinsam mit Chemieunternehmen, Batterieherstellern und Automobilherstellern im In- und Ausland betreiben wir sowohl Forschung und Entwicklung von Kerntechnologien als auch Experimente zu gegenwärtig kommerziell nutzbaren Technologien. Darüber hinaus erforschen wir zukunftssichere Batteriesysteme. Unser Ziel ist es, mit diesen innovativen Batteriematerialien eine umweltfreundliche Welt für die Zukunft zu schaffen.

Welche wichtigen Herausforderungen und Probleme stehen an, die gelöst werden müssen?

Wenn der Nickelgehalt in der NCM-Kathode von Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2 über 60% liegt, nimmt die Fläche der Mikrocracks durch die anisotrope Verzerrungsakkumulation, die durch das plötzliche Volumenveränderung während der H2-H3-Phasenumwandlung verursacht wird, stark zu. Dies führt zu Mikrocracks in den Ni-reichen Kathodenpartikeln, die dazu führen, dass der Elektrolyt in die Partikel eindringt und die dem Elektrolyt ausgesetzte Oberfläche vergrößert wird, wodurch die Kapazitätsminderung der Ni-reichen Kathode weiter beschleunigt wird. Um die Verschlechterung von Ni-reichen Kathodenmaterialien zu verhindern, konzentrieren wir uns auf die Modifikation der Mikrostruktur, die die interne Spannung, die durch Volumenveränderungen entsteht, zerstreuen kann.

Die Mikrostruktur von Kathodenmaterialien wird stark vom Hydroxid-Vorläufer und dem Sinterprozess beeinflusst. Wenn das Gemisch aus Hydroxid-Vorläufer und Lithiumhydroxid bei hohen Temperaturen (700–800 °C) gebrannt wird, bildet sich eine Schichtkristallstruktur, die Li+ Ionen (de)interkalieren kann. Aber das Grobkörnigwerden der Primärpartikel während des Brennens zerstört die Mikrostruktur und beeinträchtigt die mechanische Stabilität der Kathode gegen die Bildung von Mikrocracks. Andererseits wird die vollständige Kristallisation der Kathode eingeschränkt, wenn die Brenntemperatur oder Eintauchzeit zur Anpassung der primären Partikelform eingeschränkt werden, was die Zyklenleistung verschlechtert. Daher gilt die Erreichung einer vollständigen Kristallisation ohne grobkörnige Ausprägung der Kathodenmaterialien als eine der wichtigsten Herausforderungen.

Welche Ansätze oder Lösungen wurden evaluiert oder in Betracht gezogen? Bitte erläutern Sie auch den Evaluationsprozess und die Auswahlkriterien.

Allgemein gibt es eine optimale Temperatur, bei der Hydroxid-Vorläufer während des Brennens vollständig kristallisieren. Hohe Temperaturen können strukturelle Defekte wie Antisite-Störungen annealieren. Zu hohe Temperaturen führen jedoch zu Li-Mangel und Kationenmischung. Da der Radius von Li+ (0,076 nm) dem von Ni2+ (0,069 nm) ähnlich ist, kann das Phänomen der Kationenmischung zur Beurteilung der Kristallinität der Schichtstruktur verwendet werden. Diese Strukturinformationen, kombiniert mit der mikrostrukturellen Analyse der Kathodenpartikel mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und deren jeweiliger elektrochemischen Performance, bestimmen die optimale Brenntemperatur der Kathodenmaterialien.

Wie haben Sie die Bewertung vor der Nutzung von XRD von Malvern Panalytical durchgeführt?

Vor der Nutzung des XRD-Geräts haben wir in Pohang (Ka), einer Synchrotronquelle, XRD-Analysen durchgeführt. Darüber hinaus wurden Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Analysen zur Bestimmung der Kristallstruktur auf atomarer Ebene durchgeführt.

Warum haben Sie sich für das XRD von Malvern Panalytical entschieden und wie integriert es sich in Ihre Produktions-/Forschung-/Entwicklungsprozesse?

Da XRD viele Informationen über die Kristallstruktur liefern kann, suchten wir nach einem kompakten, leistungsstarken XRD-Gerät für das Labor. Das Röntgendiffraktometer von Malvern Panalytical kann nicht nur Pulversamples, sondern auch Pouch-Zellen analysieren, ohne sie zu zerlegen. Durch die in-situ XRD-Analyse der Zellen können wir die strukturellen Veränderungen während der Lade- und Entladezyklen im Detail erfassen. Da die Abbauphänomene von Ni-reichen Kathodenmaterialien stark von abrupten Strukturveränderungen durch H2-H3-Phasenübergänge beeinflusst werden, ist die Analyse von Strukturveränderungen der Kathode ohne Zellenzerlegung von hoher Bedeutung für die Entwicklung von Hochenergie-Ni-reichen Kathodenmaterialien.

Wie helfen unsere Geräte bei der Bewältigung verschiedener Herausforderungen?