客户成功案例 – 汉阳大学能源工程系宣亮国教授实验室

經過 Seungji Kim, Thursday, 16th February 2023

Malvern Panalytical的XRD设备‘Empyrean’的客户成功案例。

这是关于精确分析高级锂离子电池及下一代电池系统用正极材料的成功案例，采访了汉阳大学能源工程系宣亮国教授实验室的朴南英研究员。

Q. 你们正在进行的研究包括哪些内容？

我们实验室专注于高级锂离子电池及下一代电池系统用负极材料的研究与开发，侧重于提高电池材料的容量、循环寿命和安全性。在对材料的物理和电化学特性有深入了解的基础上，开发和评估创新型正极材料，以提高锂离子电池的能量密度、循环寿命及稳定性。我们与国内外化学公司、二次电池公司、汽车公司协作，基于对商业化技术的理解和经验，进行核心技术的研发。此外，我们还探索并实现未来电池系统。我们致力于利用这些创新的电池材料，创造更加环保的未来世界。

Q. 你们面临的最重要挑战是什么？需要解决的困难是什么？

随着Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2 (NCM) 负极中Ni含量增加至超过60%，在H2-H3相变期间由急剧晶格体积变化引发的各向异性变形积累，导致微裂纹范围急剧增加。Ni-rich负极颗粒的微裂纹会产生让电解质渗透的通道，从而增加暴露于电解质侵蚀的表面积。为抑制Ni-rich负极材料的劣化，我们实验室着重修正因晶格体积变化而导致内部变形的微观结构。

正极材料的微结构主要由氢氧化物前驱体和焙烧工艺决定。将氢氧化物前驱体与氢氧化锂的混合物在高温(700~800^oC)下烧结，会形成可插入Li+离子的层状晶体结构。然而，在焙烧过程中，初级颗粒的粗化可能破坏负极的微结构，削弱其机械稳定性，从而有利于微裂纹形成。同时，若为了调整初级颗粒形态而限制焙烧温度或浸泡时间，则负极的完全结晶会受到阻碍。后续的阳离子混合可能会恶化循环行为。因此，在不粗化正极材料的情况下实现完全结晶是需要解决的重要挑战之一。

Q. 是否考虑过其他方法或解决方案，并能否解释评估过程及选择原因？

一般来说，在焙烧过程中，存在使氢氧化物前驱体完全结晶的最佳温度。高温可以对诸如反位缺陷等结构性空穴进行退火，而过高的温度则可能导致Li亏损和阳离子混合。由于Li⁺(0.076 nm)和Ni²⁺(0.069 nm)的半径相似，因此由Li/Ni位点交换所导致的阳离子混合程度可以用来判断层状结构的结晶性。结合通过扫描电子显微镜(SEM)获得的负极颗粒的微结构与结构信息及其各自的电化学性能，确定负极材料的最佳焙烧温度。

Q. 在使用Malvern Panalytical XRD之前，你使用过哪些表征技术？

在使用XRD之前，我们在浦项国家高科技科学研究所(PAL)利用同步辐射XRD进行了分析。还进行了透射电子显微镜(TEM)分析以确认原子级别的晶体结构。

Q. 选择Malvern Panalytical设备的原因是什么？它如何适合制造/研究/开发过程？

由于XRD提供大量晶体结构信息，是实验室需要的基本分析，因此需要一种小型但功能强大的XRD分析设备。Malvern Panalytical XRD系统不仅可以分析粉末样品，还可以在不拆解袋型电池的情况下进行分析。在电池充放电时，现场XRD分析可以提供详细的结构变化信息。因为Ni-rich正极材料的容量衰减机制主要受在H2-H3相变中发生的剧烈结构变化影响，所以在不拆解电池的情况下分析负极的结构变化是开发高能Ni-rich正极材料的关键点。

Q. Malvern Panalytical如何帮助您的研究？您使用Malvern Panalytical的哪些设备？通过这些设备获得了哪些结果？

我们实验室拥有可在反射和透射模式下分析的XRD‘Empyrean’台式设备。反射模式用于分析负极粉末样品以确定晶格参数和层状结构。透射模式用于分析由多种成分(电极、隔板、铝袋等)组成的袋型电池。在电池充放电时，分析正极材料结构变化引起的峰值移动。例如，可以通过Rietveld精炼分析根据正极材料的化学组成变化的晶格参数。此外，通过对H2-H3相变过程中的(003)反射进行峰分解，可比较正极材料的结构可逆性。通过XRD分析获得的正极材料结构信息符合我们的预期。