Revealing Low Temperature and High Voltage Performance Challenges of Co-Free Li[Ni0.90Mn0.10]O2 Layered Cathode Material

Abstract

리튬 이온 배터리 기술의 현재 상태는 코발트에 크게 의존하고 있습니다. 그러나 가까운 미래에 전기 자동차가 대규모로 성장할 것으로 예상됨에 따라 전 세계 코발트 매장량은 상당한 고갈 위험에 처해 있습니다. 또한 코발트의 가격은 지난 10년 동안 공급망 문제로 인해 크게 상승했습니다. 따라서 증가하는 리튬 이온 배터리 수요를 충족시키기 위해서는 코발트에 대한 의존도를 낮출 필요가 있습니다. Co-free NM 층상 양극은 사이클링 안정성과 비용 경쟁력으로 주목을 받았습니다. 본 연구는 다양한 작동 시나리오에서 Co-free NM90 양극의 전기화학적 성능과 기본 특성을 Co-free NM90 양극과 비교 분석합니다. 본 연구는 Co-free NM90 양극이 특히 높은 컷오프 전압을 수반하는 엄격한 사이클링 조건에서 우수한 사이클링 안정성을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 향상된 안정성은 마이크로크랙을 보유하는 기계적 견고성과 안정한 Mn4+의 존재로 인한 화학적 안정성의 향상에 기인합니다. 그러나 Co의 부재로 인한 전기 전도도 및 이온 확산도 감소로 인해 특히 낮은 작동 온도에서 레이트 능력에 관한 주목할 만한 단점이 있습니다. 연구 결과는 리튬 이온 배터리에서 Co-free NM 층상 양극의 실제 적용을 진전시키기 위해 양극 조성, 고전압 및 저온 환경 간의 상호 작용에 대한 포괄적인 이해의 필요성을 강조합니다.|The current state of lithium-ion battery technology has heavily relied on cobalt. However, with the projected massive growth of electric vehicles in the near future, the global cobalt reserve is at risk of significant depletion. Additionally, the price of cobalt has risen substantially due to supply chain challenges over the past decade. Therefore, reducing the dependence on cobalt is necessary to meet the growing demand for lithium-ion batteries. Co-free NM layered cathodes have gained attention for their cycling stability and cost competitiveness. This research investigates the electrochemical performances and fundamental characteristics of Co-free NM90 cathodes in a comparative analysis with their Co-containing NCM90 counterparts, under diverse operational scenarios. The study reveals that Co-free NM90 cathodes exhibit commendable cycling stability, especially under rigorous cycling conditions involving elevated cut-off voltage. The enhanced stability is attributed to mechanical robustness withholding microcracks and enhanced chemical stability resulting from a higher presence of stable Mn4+. However, a notable drawback surfaces concerning the rate capability, particularly evident at low operating temperatures, owing to diminished electrical conductivities and ionic diffusivities due to the absence of Co. The findings highlight the need for a comprehensive understanding of the interplay between cathode composition, high voltage, and low temperature environments for advancing the practical application of Co-free NM layered cathodes in lithium-ion batteries.