Los investigadores han logrado un gran avance en la comprensión del mecanismo de estabilización de las estructuras superficiales en materiales catódicos con alto contenido de níquel de alta capacidad mediante el dopaje de un solo elemento en su investigación colaborativa mediante análisis cuantitativo. Su trabajo fue publicado en Chemical Engineering Journal .
En la búsqueda por ampliar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos, existe una necesidad creciente de materiales catódicos con una mayor capacidad para almacenar más energía. El níquel (Ni) se utiliza mucho en baterías de vehículos eléctricos debido a su alta densidad energética. Compuestos con alto contenido de níquel como LiNi0.8 Co0,1 Mn0,1 O2 son materiales catódicos comunes y cuentan con un importante contenido de níquel.
Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de níquel, surge un fenómeno preocupante:los iones de níquel se infiltran en la capa de litio intercambiando posiciones con iones de níquel y litio de tamaño similar a lo largo de ciertas superficies. Esta mezcla excesiva de cationes se ha relacionado con una disminución del rendimiento de la batería.
Para abordar este problema, investigaciones recientes se han centrado en la incorporación de iones metálicos como dopantes. Estos cationes metálicos se colocan dentro de las capas de metal de transición o litio de materiales catódicos con alto contenido de níquel. Precisar los sitios de dopaje es crucial para comprender su efecto sobre la estabilidad estructural de los materiales del cátodo. Sin embargo, la pequeña cantidad de cationes metálicos añadidos para mejorar el rendimiento del cátodo plantea desafíos a la hora de identificar sus ubicaciones exactas y estudiar el mecanismo de estabilización.
En esta investigación, el equipo desarrolló una técnica de inteligencia artificial de aprendizaje profundo para analizar cuantitativamente la mezcla de cationes utilizando imágenes de estructuras atómicas. Combinaron este enfoque con microscopía electrónica a escala atómica (HAADF-STEM), lo que les permitió visualizar, por primera vez, la ubicación de dopantes metálicos de aluminio (Al), titanio (Ti) y circonio (Zr) en niveles submolares. concentraciones (% molar) en materiales catódicos con alto contenido de níquel. Mediante este método, pudieron examinar cómo estos dopantes afectan la estructura de la superficie y las propiedades electroquímicas del material del cátodo.
El examen reveló que la introducción de tres cationes metálicos en la capa de metal de transición fortaleció los enlaces entre los átomos de níquel y oxígeno, frenando así la mezcla de cationes y mejorando la estabilidad estructural. Entre el aluminio, el titanio y el circonio, todos contribuyeron a una mayor capacidad de descarga y retención en el material del cátodo de níquel de alta capacidad, siendo el titanio el que exhibió el efecto más pronunciado. Esto marca la primera evaluación y análisis cuantitativo de los defectos en la mezcla de cationes, un dominio anteriormente restringido al examen cualitativo.
El profesor de POSTECH Si-Young Choi, que dirigió la investigación, afirmó:"Desarrollamos una tecnología de aprendizaje profundo para el análisis cuantitativo de la mezcla de cationes en materiales de cátodos con alto contenido de níquel, mejorando la eficacia del análisis estructural a escala atómica".
"Nuestro objetivo es sentar las bases para tecnologías que analicen materiales altamente sensibles, avanzando así en la comprensión de los mecanismos de mejora del rendimiento de los materiales catódicos de próxima generación".
El equipo de investigación incluye al profesor Si-Young Choi, So-Yeon Kim y Yu-Jeong Yang, Ph.D. candidatos, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) junto con el Dr. Sungho Choi del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea (KRICT) y el Dr. Sora Lee y Chiho Jo de LG Energy Solution.
Más información: So-Yeon Kim et al, Selectividad del sitio de un único dopante en cátodos con alto contenido de níquel para baterías de iones de litio, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148869
Información de la revista: Revista de ingeniería química
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang
