Études de cas clients – Laboratoire du professeur Sun Yang-guk, Département de génie énergétique, Université de Hanyang

Ceci est une étude de cas réussie d’un client possédant l’appareil XRD ‘Empyrean’ de Malvern Panalytical.

Nous avons rencontré le chercheur Park Nam-young du laboratoire du professeur Sun Yang-guk afin d’explorer une étude de cas réussie sur l’analyse précise des matériaux cathodiques pour les batteries lithium-ion avancées et les systèmes de batteries de nouvelle génération.

Q. Quels sont les sujets de recherche sur lesquels vous travaillez ?

Notre laboratoire se concentre sur les matériaux d’anode pour les batteries lithium-ion avancées et les systèmes de batteries de nouvelle génération, mettant l’accent sur le développement de matériaux de batterie avec une capacité plus élevée, une durée de cycle plus longue et une sécurité accrue. Basés sur une compréhension fondamentale des propriétés physico-chimiques des matériaux, nous développons et évaluons des matériaux cathodiques innovants pour améliorer la densité énergétique, la durée de vie des cycles et la stabilité des batteries lithium-ion. En collaboration avec des entreprises chimiques, des entreprises de batteries secondaires et des entreprises automobiles, nous menons des recherches et développement sur des technologies clés basées sur notre compréhension et notre expérience des technologies de commercialisation. De plus, nous explorons et réalisons des systèmes de batteries futuristes. En utilisant ces matériaux de batterie innovants, nous travaillons à créer un monde plus respectueux de l’environnement pour l’avenir.

Q. Quel est le défi majeur auquel vous êtes confronté, et quelles sont les problématiques à résoudre ?

Avec une augmentation de plus de 60% de la teneur en Ni de l’anode NCM Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2, les microfissures augmentent considérablement par accumulation de déformation anisotrope induite par un changement abrupt du volume de réseau durant la transition de phase H2-H3. Les microfissures résultantes des particules d’anode riches en Ni créent des canaux permettant aux électrolytes de pénétrer à l’intérieur des particules et peuvent augmenter la surface exposée à l’agression des électrolytes. Pour inhiber la dégradation des matériaux d’anode riches en Ni, notre laboratoire se concentre sur la modification microstructurale pour dissiper les déformations internes dues aux changements de volume du réseau.

La microstructure des matériaux cathodiques est principalement déterminée par le précurseur hydroxydé et le processus de calcination. Le frittage d’un mélange de précurseur hydroxydé et d’hydroxyde de lithium à haute température (700-800^oC) forme une structure cristalline lamellaire accueillant l'(dé)insertion des ions Li+. Cependant, l’agglomération des particules primaires durant la calcination peut dégrader la microstructure, affaiblissant la stabilité mécanique de l’anode contre la formation de microfissures. Tandis que limiter la température de calcination ou le temps de rétention pour ajuster la forme des particules primaires empêche la cristallisation complète de l’anode. Le mélange cationique ultérieur peut altérer le comportement cyclique. Ainsi, atteindre une cristallisation complète sans agglomération des matériaux cathodiques est une des problématiques importantes à résoudre.

Q. Quelles approches/solutions ont été envisagées et pouvez-vous expliquer votre processus d’évaluation et de sélection ?

Il existe généralement une température optimale pour la cristallisation complète du précurseur hydroxydé durant la calcination. Une haute température peut recuire les défauts structuraux tels que les défauts antisites, alors qu’une température excessive induit une carence en Li et un mélange cationique. Comme Li⁺ (0.076 nm) et Ni²⁺ (0.069 nm) ont des rayons similaires, le degré de mélange cationique, résultant de l’échange Li/Ni, peut être utilisé pour juger la cristallinité de la structure lamellaire. Nous déterminons la température optimale de calcination des matériaux anodes en combinant la microstructure des particules anodes obtenues par microscopie électronique à balayage (SEM) avec les informations structurelles et les performances électrochimiques respectives.

Q. Quelles technologies de caractérisation avez-vous utilisées avant d’utiliser Malvern Panalytical XRD ?

Avant d’utiliser XRD, nous avons effectué des analyses XRD à l’accélérateur de particules de Pohang. Nous avons également réalisé des analyses par microscopie électronique à transmission (TEM) pour vérifier la structure cristalline à l’échelle atomique.

Q. Pourquoi avez-vous choisi les équipements de Malvern Panalytical et comment les jugez-vous adaptés à vos procédés de fabrication/recherche/développement ?

XRD est un outil d’analyse de base fournissant de nombreuses informations sur la structure cristalline, c’est pourquoi nous avions besoin d’un appareil XRD petit et puissant pour une installation en laboratoire. Le système XRD de Malvern Panalytical permet d’analyser non seulement les échantillons en poudre mais aussi les cellules en pochon sans les démonter. L’analyse XRD in-situ des cellules peut fournir des changements structurels détaillés lors de la charge/décharge des batteries. Le mécanisme de diminution de la capacité des cathodes riches en Ni est principalement déterminé par la transition de phase H2-H3 avec des changements structurels abrupts, faisant de l’analyse des changements structurels des anodes sans démonter la cellule un point crucial pour le développement des cathodes riches en Ni à haute énergie.

Q. Comment Malvern Panalytical aide-t-il votre recherche, quels équipements de Malvern Panalytical utilisez-vous et quels résultats obtenez-vous?

Notre laboratoire possède l’appareil XRD ‘Empyrean’ à poser au sol, capable d’analyser en modes réflexion et transmission. Le mode réflexion est utilisé pour analyser les échantillons de poudre d’anode afin de déterminer les paramètres de réseau et les couches. Le mode transmission est utilisé pour analyser les cellules en pochon composées de nombreux composants (électrode, séparateur, emballage en aluminium, etc.). Nous analysons le décalage des pics suite aux changements structurels des cathodes en chargeant et déchargeant les cellules. Par exemple, nous pouvons analyser les changements de paramètres de réseau en fonction de la composition chimique des cathodes par raffinement de Rietveld (rietveldrefinement). En outre, en décomposant (003) réflexions à partir des pics H2 et H3 pendant la transition de phase H2-H3, nous pouvons comparer la réversibilité structurelle des matériaux cathodiques. Les informations structurelles des matériaux cathodiques obtenues par l’analyse XRD sont en adéquation avec nos attentes.

Q. Quels sont les avantages pratiques démontrés de l’utilisation des équipements de Malvern Panalytical ?

L’interface intuitive permet une analyse précise. De plus, utiliser divers accessoires adaptés à chaque application est un avantage.

Q. Comment voyez-vous l’avenir des équipements de Malvern Panalytical contribuer et envisagez-vous un développement ou une expansion supplémentaire des applications du système ?

Nous prévoyons d’effectuer une analyse TR (Time-resolved)-XRD en utilisant une chambre réactive à haute température dans notre laboratoire. L’analyse TR-XRD peut analyser en temps réel les changements de phase lors du traitement thermique, similaire au processus de calcination réel.

Q. Comment envisagez-vous de collaborer avec Malvern Panalytical pour vos futures activités ?

Nous prévoyons que l’analyse de la structure cristalline apportera une aide significative non seulement pour l’analyse des matériaux cathodiques où la structure cristalline est fortement liée à la performance électrochimique, mais aussi pour les matériaux de batterie de nouvelle génération (batterie à électrolyte solide, batterie lithium-soufre).

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