Stabilization strategies and degradation mechanisms of Ni-rich layered oxide cathodes for lithium-ion batteries
Verbetering van nikkel-rijke kathodes voor lithium-ion batterijen
Lithium-ion batterijen worden veel toegepast in elektrische auto’s en grootschalige energieopslag vanwege hun hoge energiedichtheid en kostenefficiëntie. Yuqiang Yang onderzocht kathodes voor lithium-ion batterijen met hoge energiedichtheid, gemaakt van nikkelrijke gelaagde oxide. De commerciële inzet van dit soort nikkelrijke kathodes wordt echter beperkt door een aantal complicatie, zoals oppervlakte-instabiliteit, kristalroostervervorming, impedantietoename en snelle capaciteitsafname. Om deze uitdagingen aan te pakken, ontwikkelde Yang een geïntegreerde stabilisatiestrategie die zowel de degradatie van grensvlakken als de structuur aanpakt. Hij onderzocht drie complementaire methodes: Li⁺-geleidende oppervlakte-coatings, bulk anion–kation co-doping en het verwijderen van oppervlakteverontreinigingen. Met behulp van structuurkarakterisering en elektrochemische analyses zijn de relaties vastgesteld tussen structuur, eigenschap en prestatie.
Dit onderzoek leverde een aantal resultaten op. Een coating van LATP (Lithium Aluminum Titanium Phosphate) verbetert het Li⁺-transport en onderdrukt de toename van de impedantie en roostervervorming. Fluor–chroom co-doping stabiliseert het gelaagde kristalrooster van de kathode, vermindert kationenvermenging en vertraagt de impedantietoename aanzienlijk. Een gecontroleerde zuurbehandeling, die op het oppervlak achtergebleven carbonaten verwijdert, vergroot de grensvlakstabiliteit en maakt betrouwbaar laden en ontladen bij hoge spanningen mogelijk. Een vergelijking tussen LATP- en Al₂O₃-coatings laat zien dat er een afweging gemaakt moet worden tussen grensvlakkinetiek en langdurige chemische stabiliteit. Deze onderzoeksbevindingen bieden praktische ontwerprichtlijnen voor duurzame nikkelrijke kathodematerialen. Toekomstig onderzoek moet deze strategieën combineren en testen onder realistische full-cell condities om commerciële toepassing te versnellen.
Yuqiang Yang verrichtte zijn promotieonderzoek bij het Zernike Institute for Advanced Materials, met financiering van de Chinese Scholarship Council. Hij werkt nu als Senior Engineer bij batterijenfabrikant Ampace.