Comprehensive understanding on Li[Ni0.89Co0.05Mn0.05Al0.01]O2 cathode for high-performance LIB

Abstract

Li[Ni1−x−yCoxAly]O2 (NCA) and Li[Ni1−x−yCoxMny]O2 (NCM) cathodes have been the archetypes of current high-energy-density cathodes for Li-ion batteries. A hybrid of NCA and NCM cathodes, a quaternary system consisting of Li[Ni0.89Co0.05Mn0.05Al0.01]O2 (NCMA) was benchmarked against NCM and NCA with similar Ni contents. The quaternary NCMA cathode delivered a capacity of 228 mAh g−1 and outperformed the benchmarking cathodes in long-term cycling stability (85% after 1000 cycles). The reduction in the volume change during deintercalation and the enhanced intrinsic mechanical strength confirmed by the single-particle compression test suppressed the microcrack nucleation and propagation. Microcrack suppression was important because microcracks serve as channels for electrolyte infiltration and lead to subsequent surface degradation of internal surfaces. The proposed NCMA cathode provides extra cycling stability, which is essential for electric vehicles, which require a long battery life and improves the thermal stability of the cathode, which contributes to a safer battery. |Li[Ni1−x−yCoxAly]O2 와 Li[Ni1−x−yCoxMny]O2 (NCM) 양극 소재는 현재 가장 흔히 쓰이는 리튬이온 배터리 용 고밀도 양극의 전형입니다. NCA 및 NCM 양극의 장점을 섞은 Li[Ni0.89Co0.05Mn0.05Al0.01]O2 (NCMA)를 만들어 비슷한 Ni조성의 NCM, NCA와 비교를 진행하였습니다. 4성분계 NCMA 소재는 228 mAh g−1 의 초기 방전 용량을 가지고, 장수명 특성 실험에서 1000사이클 후 85%의 수명유지율을 보여주었습니다. 양극 소재 내부로 리튬이온이 삽입과 탈리되는 과정에서 일어나는 부피 변화 감소와, 기계적 강도 증가를 확인하기위해 입자 자체 압력 파쇄 실험을 진행하였습니다. 마이크로크랙을 억제하는 것이 중요한 이유는 마이크로크랙을 통해 입자 내부로 전해액이 침투하게 되고, 이는 입자 내부 표면의 열화로 이어지기에 중요합니다. 이 실험에서 진행된 NCMA 양극은 긴 배터리 수명을 필요로 하는 전기 자동차에 필수적인 추가 수명 안정성을 제공하고 양극의 열 안정성을 향상시켜 보다 안전한 배터리를 만들 수 있습니다.