[論文レビュー] Simultaneous Single Crystal Growth and Segregation of Ni-Rich Cathode Enabled by Nanoscale Phase Separation for Advanced Lithium-Ion Batteries

Yujing Bi, Yaobin Xu+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Advancements in Battery Materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、前駆体処理中のナノスケールの相分離を活用することで、高性能なシングルクリスタルNMC811正極の溶融塩フリーな合成経路を提案する。ニッケル・コバルト・マンガン水酸化物前駆体の形態を制御することにより、遷移金属酸化物中間体においてスパインエル相とルールス相が同時に形成されることで、シングルクリスタル成長とニッケルのセグリゲーションを同時に実現し、1000サイクル安定な2Ahポーチセルを実現した。構造的整合性が向上した。

ABSTRACT

Synthesis of high-performance single crystal LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811) in the absence of molten salt is challenging with no success yet. An innovative drop-in approach is discovered to synthesize single crystal NMC811 by controlling the morphology of transition metal hydroxide TM(OH)2 precursors followed by a simple decomposition step to form transition metal oxide (TMO) intermediates. Ni redistribution in TMO, as a result of the concurrent formation of mixed spinel and rock salt phases, helps deagglomerate the later formed NMC811 clusters of single crystals. As-prepared single crystal NMC811 is validated in a 2Ah pouch cell demonstrating 1000 stable cycling. The fundamentally new reaction mechanism of single crystal growth and segregation without molten salt provides a new direction towards cost-efficient manufacturing of single crystal NMC811 cathode for advanced lithium-based batteries.

研究の動機と目的

• コスト効率が良く、溶融塩を用いないシングルクリスタルニッケルリッチNMC811正極の合成経路を開発すること。
• 従来の固体状態合成において、シングルクリスタル形成時に生じる凝集の課題を克服すること。
• 酸化物中間体における制御された相分離を通じて、同時にシングルクリスタル成長とニッケルのセグリゲーションを実現すること。
• フルセル構成において高いサイクル安定性と構造的頑丈さを達成すること。
• 高度なリチウムイオン電池正極の工業的・スケーラブルな生産への道筋を確立すること。

提案手法

• 後続の相挙動を誘導するように形態を調整したニッケル・コバルト・マンガン水酸化物（TM(OH)2）前駆体の制御された合成。
• 前駆体の熱分解により、スパインエル相とルールス相が共存する混合遷移金属酸化物（TMO）中間体を形成。
• TMO形成過程におけるナノスケールの相分離が、ニッケルの再分配を誘導し、粒子の凝集を防ぐ。
• その後のリチウム化と結晶化により、ニッケル分布が均一で、界面ひずみが低減されたシングルクリスタルNMC811が得られる。
• 溶融塩フラックスを用いない、シンプルでスケーラブルな固体状態反応の採用。
• 標準的なサイクリングプロTOCOLに従い、2Ahポーチセルで合成された正極の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された相分離を用いて、溶融塩フラックスを用いずにシングルクリスタルNMC811を合成可能か？
• RQ2 TMO中間体におけるナノスケールの相分離は、ニッケル分布および結晶成長にどのように影響するか？
• RQ3 スパインエル相とルールス相の共存が、シングルクリスタル形成過程における凝集防止に果たす役割は何か？
• RQ4 得られたシングルクリスタルNMC811は、フルセル構成において長期にわたりサイクル安定性を示せるか？
• RQ5 提案された方法はスケーラブルであり、ニッケルリッチ正極の産業的生産に適しているか？

主な発見

• 本手法は、長年の合成課題であった溶融塩フリーなシングルクリスタルNMC811の合成に成功した。
• TMO中間体におけるナノスケールの相分離により、凝集を低減するシングルクリスタル成長とニッケルのセグリゲーションを同時に実現した。
• TMO中に混合スパインエル相とルールス相が存在することで、ニッケルの再分配が促進され、シングルクリスタル形成が促進された。
• 調製されたNMC811正極は、2Ahポーチセルで1000サイクルにわたり安定した性能を示し、高い容量保持率を達成した。
• 溶融塩の不使用により、プロセスが簡素化され、産業スケール生産におけるコスト効率が向上した。
• 反応機構の解明により、構造的安定性が向上する、根本的に新しいシングルクリスタル正極合成の道筋が明らかになった。