Historia de éxito del cliente – Laboratorio del profesor Sun Yang-guk del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang

Este es un caso de éxito de un cliente que posee el equipo XRD ‘Empyrean’ de Malvern Panalytical.

Conocimos a Nam-young Park, investigador del laboratorio del profesor Sun Yang-guk del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, para un caso de éxito sobre el análisis preciso de materiales de cátodos para baterías avanzadas de iones de litio y sistemas de baterías de próxima generación.

P. ¿Cuáles son las investigaciones que está llevando a cabo?

Nuestro laboratorio se centra en el desarrollo de materiales de ánodos para baterías avanzadas de iones de litio y sistemas de próxima generación, con el objetivo de mejorar la capacidad, la vida útil del ciclo y la seguridad de los materiales de las baterías. Basándonos en la comprensión fundamental de las propiedades fisicoquímicas de los materiales, desarrollamos y evaluamos materiales de cátodos innovadores para mejorar la densidad de energía, la vida útil del ciclo y la estabilidad de las baterías de iones de litio. Realizamos investigaciones en colaboración con empresas químicas, empresas de baterías secundarias y fabricantes de automóviles tanto nacionales como internacionales, utilizando nuestra comprensión y experiencia en la comercialización de tecnología central. Además, exploramos y realizamos baterías de sistemas futuros, buscando crear un mundo más respetuoso con el medio ambiente mediante el uso de estos innovadores materiales de baterías.

P. ¿Cuál es el desafío más importante que enfrenta y qué desafíos deben resolverse?

Con el aumento del contenido de Ni del ánodo NCM (Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2) a más del 60%, la acumulación de deformación anisotrópica inducida por el cambio de volumen de la celosía durante la transición de fase H2-H3 aumenta dramáticamente la cantidad de microfisuras. Las microfisuras resultantes en las partículas del ánodo rico en Ni pueden crear canales para que el electrolito penetre en las partículas, exponiendo una mayor área superficial a los ataques del electrolito. Con el fin de inhibir la degradación de los materiales de ánodo ricos en Ni, nuestro laboratorio se centra en modificar la microestructura para disipar la deformación interna causada por los cambios de volumen de la celosía.

La microestructura de los materiales de ánodo está principalmente determinada por el precursor de hidróxido y el proceso de calcinación. Al calcinar una mezcla de precursores de hidróxido y hidróxido de litio a alta temperatura (700–800^oC), se forma una estructura cristalina laminar que permite la (de)inserción de iones Li⁺. Sin embargo, durante la calcinación, el acoplamiento de partículas primarias puede destruir la microestructura, lo que debilita la estabilidad mecánica del ánodo frente a la formación de microfisuras. Asimismo, restringir la temperatura de calcinación o el tiempo de recocido para ajustar la forma de las partículas primarias puede impedir la cristalización completa del ánodo, generando mezclas catiónicas subsecuentes que podrían deteriorar el comportamiento del ciclo. Por lo tanto, lograr una cristalización completa sin el acoplamiento de las partículas del ánodo es uno de los desafíos clave que deben abordarse.

P. ¿Podría explicar los enfoques/soluciones consideradas y el proceso de evaluación y selección?

Generalmente, durante la calcinación, existe una temperatura óptima en la que el precursor de hidróxido cristaliza completamente. Mientras que las altas temperaturas pueden aliviar defectos estructurales como defectos antisite, temperaturas excesivamente altas favorecen la deficiencia de Li y la mezcla catiónica. Dado que los radios de Li⁺ (0.076 nm) y Ni²⁺ (0.069 nm) son similares, el grado de mezcla catiónica resultante del intercambio de posiciones Li/Ni se puede usar para evaluar la cristalinidad de la estructura laminar. Combinamos la microestructura de las partículas del ánodo obtenida mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) con la información estructural y el rendimiento electroquímico de cada uno, para determinar la temperatura óptima de calcinación del material del ánodo.

P. ¿Qué técnicas de caracterización utilizaba antes de trabajar con Malvern Panalytical XRD?

Antes de usar XRD, realizamos análisis de XRD con el acelerador de partículas en Pohang. También llevamos a cabo análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para confirmar la estructura cristalina a escala atómica.

P. ¿Por qué eligió el equipo de Malvern Panalytical y cómo lo considera adecuado para el proceso de manufactura/investigación/desarrollo?

Como XRD proporciona mucha información sobre la estructura cristalina, queríamos un equipo de análisis XRD compacto y potente que pudiera instalarse en el laboratorio. El sistema XRD de Malvern Panalytical permite analizar no solo muestras en polvo, sino también celdas tipo pouch sin descomponerlas. El análisis XRD in situ de la celda puede proporcionar cambios estructurales detallados durante la carga/descarga de la batería. Dado que el mecanismo de disminución de capacidad en cátodos ricos en Ni está determinado en gran medida por la transición de fase H2-H3, que implica cambios estructurales bruscos, analizar los cambios estructurales del cátodo sin descomponer la celda es crucial para el desarrollo de cátodos ricos en Ni de alta energía.

P. ¿Cómo está ayudando Malvern Panalytical a su investigación? ¿Qué equipos de Malvern Panalytical está utilizando y qué resultados espera obtener?

Nuestro laboratorio posee el equipo de piso XRD ‘Empyrean’, que permite análisis en modos de reflexión y transmisión. El modo de reflexión se utiliza para analizar muestras de polvo de ánodo para determinar los parámetros de la celosía y las capas. El modo de transmisión se utiliza para analizar celdas tipo pouch, que están compuestas por muchos componentes (electrodos, separador, aluminio para envases, etc.). Analizamos el desplazamiento de picos debido a cambios estructurales del cátodo cuando la celda se carga y descarga. Por ejemplo, analizamos cambios en los parámetros de la celosía dependiendo de la composición química del cátodo, mediante el refinamiento de Rietveld. Además, durante la transición de fase H2-H3, podemos comparar la reversibilidad estructural del material del cátodo mediante deconvolución de las reflexiones (003) en los picos H2 y H3. La información estructural del material del cátodo obtenida a través del análisis XRD está en buenas concordancias con nuestras expectativas.

P. ¿Cuáles son los beneficios prácticos demostrados al usar equipos de Malvern Panalytical?

Una interfaz intuitiva permite realizar análisis precisos. Además, es ventajoso que se puedan utilizar varios accesorios según las necesidades.

P. ¿Cómo espera que los equipos de Malvern Panalytical contribuyan en el futuro y prevé desarrollos o expansiones adicionales de las aplicaciones del sistema?

Planeamos realizar análisis TR (Time-resolved) XRD utilizando una cámara de reactor de alta temperatura. Estos análisis TR-XRD permitirán analizar los cambios de fase en tiempo real durante el tratamiento térmico de una manera que simula el proceso real de calcinación.

P. ¿Qué expectativas tiene de la colaboración futura con Malvern Panalytical en su trabajo?

Esperamos que los análisis de la estructura cristalina no solo sean de gran ayuda para el análisis de cátodos, donde la estructura cristalina se correlaciona fuertemente con el rendimiento electroquímico, sino también para los materiales de baterías de próxima generación (como las baterías de estado sólido y las baterías de litio-azufre).

Lecturas recomendadas

Análisis de difracción de rayos X operando de alta calidad de baterías de ion-litio tipo pouch

Análisis de fase cristalina de materiales de electrodo de baterías de iones de litio

XRD en operando ayuda a KETI a construir mejores baterías

Pregúntale a un experto – Mejores prácticas para experimentos de operando-XRD en baterías con un instrumento de laboratorio

Augmente su investigación de baterías con XRD en operando no ambiental dedicado