[논문 리뷰] Simultaneous Single Crystal Growth and Segregation of Ni-Rich Cathode Enabled by Nanoscale Phase Separation for Advanced Lithium-Ion Batteries

Yujing Bi, Yaobin Xu외 16명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 20.

Advancements in Battery Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전구체 가공 중 나노스케일 상 분리를 활용하여 고성능 단일결정 NMC811 음극재를 고체염을 사용하지 않고 합성하는 새로운 경로를 제시한다. Ni-Co-Mn 수산화물 전구체의 형태를 제어함으로써, 전이금속 산화물 중간체에서 스파이널과 락스타일 상이 동시에 형성되면서 단일결정 성장과 Ni의 분리가 동시에 일어나게 하여, 1000회 사이클에서 안정적인 2Ah 파우치 전지로 이어지는 구조적 안정성이 향상된 결과를 얻었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고비용의 고체염을 사용하지 않는 단일결정 니켈 농도가 높은 NMC811 음극재를 위한 비용 효율적인 합성 경로를 개발하기 위해.
• 기존 고체상 합성에서 단일결정 형성 시 입자 응집 문제를 해결하기 위해.
• 산화물 중간체에서 제어된 상 분리를 통해 동시에 단일결정 성장과 Ni 분리가 가능하도록 하기 위해.
• 완전 전지 구성에서 높은 사이클 안정성과 구조적 내구성을 확보하기 위해.
• 고성능 리튬이온 이차전지 음극재를 위한 규모화 가능하고 산업적으로 실현 가능한 길을 마련하기 위해.

제안 방법

• 후속 상의 진화를 이끄는 맞춤형 형태를 가진 Ni-Co-Mn 수산화물(TM(OH)2) 전구체의 제어된 합성.
• 스핀델과 락스타일 상이 공존하는 혼합 전이금속 산화물(TMO) 중간체를 형성하기 위해 전구체의 열분해.
• TMO 형성 중의 나노스케일 상 분리로 인해 Ni 재분포가 발생하여 입자 응집을 방지.
• 후속 리튬화 및 결정화 과정을 통해 균일한 Ni 분포와 낮은 계면간 응력이 있는 단일결정 NMC811을 도출.
• 고체염 융해제 없이 단순하고 규모화 가능한 고체상 반응을 이용.
• 표준 사이클링 프rotocols에 따라 2Ah 파우치 전지에서 합성된 음극재의 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 상 분리를 통해 고체염을 사용하지 않고 단일결정 NMC811을 합성할 수 있는가?
• RQ2 TMO 중간체에서의 나노스케일 상 분리는 Ni 분포와 결정 성장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀델과 락스타일 상이 단일결정 형성 중 응집 방지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 결과적으로 도출된 단일결정 NMC811은 완전 전지 구성에서 장기적인 사이클 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 규모화 가능하고 고니켈 음극재의 산업적 생산에 적합한가?

주요 결과

• 이 방법은 오랫동안 지속된 합성 과제를 해결하며 고체염 없이도 단일결정 NMC811을 성공적으로 생산한다.
• TMO 중간체에서의 나노스케일 상 분리는 동시에 단일결정 성장과 Ni 분리를 가능하게 하여 응집을 감소시킨다.
• TMO 중에 혼합된 스파이널과 락스타일 상의 존재는 Ni 재분포를 촉진하고 단일결정 형성에 기여한다.
• 제조된 NMC811 음극재는 2Ah 파우치 전지에서 고용량 유지율을 보이며 1000회 안정적인 사이클을 수행한다.
• 고체염이 없어 훨씬 단순해진 가공 공정으로 산업적 규모 생산에서 비용 효율성이 향상된다.
• 반응 메커니즘은 향상된 구조적 안정성을 가진 단일결정 음극재 합성에 있어 근본적으로 새로운 경로를 드러낸다.