پروفسور سی یونگ چوی و سو یون کیم و یو جونگ یانگ، کاندیدای دکترا، از گروه علوم و مهندسی مواد در دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) به همراه دکتر سونگو چوی از موسسه تحقیقاتی کره Chemical Technology (KRICT) و دکترسورا لی و چیچو جو از LG Energy Solution در تحقیقات مشترک خود از طریق تحقیقات کمی به پیشرفتی در درک مکانیسم تثبیت ساختارهای سطحی در مواد کاتدی با ظرفیت بالا و نیکل بالا دست یافته اند. تحلیل و بررسی. کار آنها در Chemical Engineering Journal ، یک مجله بین المللی در زمینه مهندسی شیمی منتشر شد .
در تلاش برای گسترش دامنه رانندگی وسایل نقلیه الکتریکی، نیاز روزافزونی به مواد کاتدی با ظرفیت بالاتر برای ذخیره قدرت بیشتر وجود دارد. نیکل (Ni) به دلیل چگالی انرژی بالا به طور گسترده ای در باتری های وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. ترکیبات با نیکل بالا مانند LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 مواد کاتدی معمولی هستند که دارای محتوای نیکل قابل توجهی هستند. با این حال، با افزایش غلظت نیکل، یک پدیده نگران کننده ظاهر می شود: یون های نیکل با تبادل موقعیت هایی با یون های نیکل و لیتیوم با اندازه های مشابه در امتداد سطوح خاص، به لایه لیتیوم نفوذ می کنند. این اختلاط بیش از حد کاتیون ها با کاهش عملکرد باتری مرتبط است.
برای پرداختن به این موضوع، تحقیقات اخیر بر ترکیب یون های فلزی به عنوان مواد ناخالص متمرکز شده است. این کاتیون‌های فلزی در لایه‌های فلزات واسطه یا لیتیوم مواد کاتدی با نیکل بالا قرار می‌گیرند. برای درک تأثیر آنها بر پایداری ساختاری مواد کاتد، دقت مکان‌های دوپینگ بسیار مهم است. با این حال، مقدار کمی کاتیون های فلزی اضافه شده برای افزایش عملکرد کاتد، چالش هایی را در تعیین مکان دقیق آنها و مطالعه مکانیسم تثبیت ایجاد می کند.
در این تحقیق، تیم یک تکنیک هوش مصنوعی یادگیری عمیق را برای تجزیه و تحلیل کمی اختلاط کاتیون ها با استفاده از تصاویر ساختار اتمی توسعه داد. آنها این رویکرد را با میکروسکوپ الکترونی در مقیاس اتمی (HAADF-STEM) ترکیب کردند و به آنها اجازه داد تا برای اولین بار، محل آلومینیم (Al)، تیتانیوم (Ti) و زیرکونیوم (Zr) را در زیر مولرها تجسم کنند. غلظت (مول درصد) در مواد کاتدی با نیکل بالا. از طریق این روش، آنها توانستند چگونگی تاثیر این مواد ناخالص بر ساختار سطح و خواص الکتروشیمیایی ماده کاتد را بررسی کنند.
این بررسی نشان داد که معرفی سه کاتیون فلزی به لایه فلزی واسطه پیوند بین اتم‌های نیکل و اکسیژن را تقویت می‌کند و در نتیجه اختلاط کاتیون‌ها را مهار می‌کند و ثبات ساختاری را افزایش می‌دهد. در میان آلومینیوم، تیتانیوم و زیرکونیوم، همگی به افزایش ظرفیت تخلیه و ماندگاری در مواد کاتد نیکل با ظرفیت بالا کمک کردند و تیتانیوم بارزترین اثر را از خود نشان داد. این اولین ارزیابی کمی و تجزیه و تحلیل نقص های اختلاط کاتیونی را نشان می دهد، حوزه ای که قبلا به بررسی کیفی محدود شده بود.
پروفسور سی یونگ چوی، پروفسور POSTECH که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، اظهار داشت: “ما یک فناوری یادگیری عمیق را برای تجزیه و تحلیل کمی اختلاط کاتیونی در مواد کاتدی با نیکل بالا توسعه دادیم که اثربخشی تجزیه و تحلیل ساختاری در مقیاس اتمی را افزایش داد.” وی با بیان اینکه “هدف ما زمینه سازی برای فناوری هایی است که مواد بسیار حساس را تجزیه و تحلیل می کنند، ایجاد کنیم و در نتیجه درک مکانیسم های بهبود عملکرد برای مواد کاتدی نسل بعدی را ارتقا دهیم.”
1. دوپینگ ورود عمدی ناخالصی ها در طول ساخت کریستال برای تغییر خواص الکتریکی، نوری و ساختاری یک ماده
2. دوپانت ناخالصی اضافه شده عمدی در طول فرآیند دوپینگ
3. HAADF-STEM (میکروسکوپ الکترونی انتقال میدان تاریک حلقوی حلقوی بالا) یک تکنیک تجزیه و تحلیل STEM با استفاده از آشکارساز حلقوی با زاویه داخلی 70 mrad یا بیشتر. در تصاویر HAADF-STEM، شدت سیگنال با مجذور عدد اتمی همبستگی دارد و به ویژه برای تجزیه و تحلیل عناصر سنگین مفید است. این شکل از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی با وضوح قابل توجه در محدوده ده‌ها پیکومتر استفاده می‌کند و تجزیه و تحلیل دقیق ساختارهای اتمی را تسهیل می‌کند.
.Materials provided by Pohang University of Science & Technology (POSTECH). Note: Content may be edited for style and length
