Laddade EVS | Koreanska forskare hittar ett sätt att kontrollera koncentrationsgradienter i högnickliga katodes

Forskare vid Pusan National University i Sydkorea har introducerat en ny matematisk ram för litiumjonbatterier som innehåller högnickade katoder som möjliggör flexibel fullkoncentrationsgradient (FCG) eller kärnskal.

I en ny studie föreslår ett internationellt forskarteam under ledning av docent Hyun Deog Yoo från avdelningen för kemi och Institute for Future Earth vid universitetet en metod som möjliggör exakt och oberoende kontroll av genomsnittlig sammansättning, lutning och krökning av fullständiga koncentrationsgradienter i högnickade katoder.

I FCG- eller kärnskalstrukturer minskar nickelkoncentrationen gradvis från kärnan till ytan av varje katodpartikel, där den ersätts av mer stabila element såsom kobolt och mangan. Denna gradient förbättrar ytstabilitet och mekanisk styrka.

Traditionellt syntetiseras FCG -katoder via en samutfällningsmetod som involverar två tankar av metallprekursorlösningar. Den första tanken, rik på nickel, matas direkt in i reaktorn. Den andra tanken, som innehåller kobolt och mangan, blandas i den första för att minska nickelkoncentrationen över tid. I konventionella system begränsar emellertid den andra tankens fasta flödeshastighet varje inställning till bara en specifik gradient per genomsnittlig konsumtion.

Forskarna övervann denna begränsning genom att uttrycka flödeshastigheten för den andra tanken som en tidsberoende matematisk funktion. Detta möjliggör oberoende inställning av den genomsnittliga sammansättningen, lutningen och krökningen – vilket möjliggör generering av ett praktiskt taget obegränsat intervall av koncentrationsgradienter med bara två tankar. Genom att integrera detta tillvägagångssätt med ett automatiserat reaktorsystem syntetiserade teamet framgångsrikt fem FCG NI0.8CO0.1MN0.1 (OH) 2 föregångare med fininställda lutningar, verifierade genom två- och tredimensionell elementär mappning.

De resulterande katoderna med hög nickel uppvisade förbättrad mekanisk och strukturell stabilitet jämfört med konventionella motsvarigheter. De visade förbättrad litiumjontransport för bättre elektrokemisk prestanda och minimal partikelsprickor för lång cykelliv. FCG -katoden behöll 93,6% av sin initiala kapacitet efter 300 cykler, den högsta cykelstabiliteten rapporterade för FCG -katoder med liknande sammansättning.

”Till skillnad från konventionella metoder, där justering av en parameter påverkar de andra, tillåter vår strategi oberoende och exakt kontroll över flera deskriptorer, inklusive genomsnittlig sammansättning, lutning och krökning,” förklarar Dr. Yoo. Teamets resultat publicerades i tidskriften ACS Energy Letters. ”Vår strategi har potential att förändra säkerheten och prestandan för LIB-baserade energilagringssystem.”

Källa: Pusan National University