客户成功案例——汉阳大学能源工程系孙阳国教授的研究室

by Seungji Kim, Thursday, 16th February 2023

这是拥有Malvern Panalytical XRD设备‘Empyrean’的客户案例。

这是关于精确分析用于高级锂离子电池和下一代电池系统正极材料的成功案例，我采访了汉阳大学能源工程系孙阳国教授研究室的朴南英研究员。

问：您正在进行哪些研究？

我们的研究室主要专注于高级锂离子电池和下一代电池系统的负极材料，致力于开发和研究具有更高容量、更长周期和更安全的电池材料。基于对材料物理和电化学特性的基本理解，我们开发和评估创新性的正极材料，以提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和稳定性。我们与国内外化学企业、二次电池公司和汽车公司合作，进行基于商业化技术理解和经验的核心技术研究开发。此外，我们探索和实现未来的电池系统。我们正在利用这些创新的电池材料努力创造一个更环保的未来。

问：您面临的最重要挑战是什么？需要解决的课题是什么？

随着Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O2 (NCM)负极中Ni含量超过60%，在H2-H3相变过程中，由于晶格体积变的急剧增加，导致微裂纹范围快速增长。Ni-rich负极颗粒的由此产生的微裂纹可以形成电解质进入颗粒内部的通道，从而增加暴露于电解质攻击的表面积。为了抑制表面积增大的Ni-rich负极材料的退化，我们的研究室专注于能够分散因晶格体积变化导致的内部变形的微结构修饰。

正极材料的微结构主要由氢氧化物前驱体和煅烧工艺决定。将氢氧化物前驱体与氢氧化锂的混合物在高温（700~800°C）下烧结，会形成能够进行Li+离子（脱）插入的层状晶体结构。然而，在煅烧过程中，初级颗粒的粗化可能会破坏微结构，从而削弱对于微裂纹形成的耐性。而为了调整初级颗粒形态，限制煅烧温度或保温时间会阻止负极的完全结晶。后续的阳离子混合可能恶化循环行为。因此，在没有颗粒粗化的情况下实现完全结晶是需要解决的重要课题之一。

问：已考虑哪些方法/解决方案，并请描述评价过程和选择。

通常在煅烧过程中存在使氢氧化物前驱体完全结晶的最佳温度。高温可以退火结构缺陷，如反位缺陷，而过高的温度会导致Li缺乏和阳离子混合。由于Li⁺(0.076 nm)和Ni²⁺(0.069 nm)的半径相似，因此阳离子混合程度可以用来判断层状结构的结晶度。结合从扫描电子显微镜(SEM)获得的负极颗粒的微观结构和结构信息以及各自的电化学性能，确定负极材料的最佳煅烧温度。

问：使用Malvern Panalytical XRD之前您使用过哪些表征技术？

使用XRD之前，我们进行了利用浦项加速器的XRD分析。同时，我们也进行了可确认原子尺度晶体结构的透射电子显微镜(TEM)分析。

问：选择Malvern Panalytical设备的理由是什么，以及您认为它如何适配到制造/研究/开发过程中？

XRD是可以提供大量晶体结构信息的基本分析，因此我们需要实验室中小巧而强大的XRD分析设备。Malvern Panalytical XRD系统可以测量不仅是粉末样品，还有袋式电池，而无需拆解。电池的即时XRD分析可以在电池充放电时提供详细的结构变化。由于Ni-rich正极材料的容量损失机制主要由急剧的结构变化即H2-H3相变决定，因此不解体进行负极结构变化的分析对于高能量Ni-rich正极材料开发非常重要。

问：Malvern Panalytical如何在研究中提供帮助？您使用的Malvern Panalytical设备是什么？通过这些设备获取了哪些结果？

我们的研究室拥有反射和透射模式分析的XRD落地式‘Empyrean’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组件（电极、隔膜、铝箔袋等）组成的袋式电池。通过分析电池充放电时正极材料结构变化所导致的峰值位移。例如，可通过Rietveld细化分析正极材料化学成分引起的晶格参数变化。此外，通过H2-H3相变期间在H2和H3峰中通过解卷积(003)反射可以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与我们的预期很好地吻合。