[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过在前驱体处理过程中利用纳米尺度相分离，提出了一种新型无熔盐合成路线，用于制备高性能单晶NMC811正极材料。通过控制镍钴锰氢氧化物前驱体的形貌，该方法实现了在过渡金属氧化物中间相中同时形成-spinel相和岩盐相，从而促进单晶生长与镍偏析，最终获得在2Ah软包电池中实现1000次循环稳定运行、结构完整性显著提升的单晶NMC811正极材料。

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.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、无需熔盐的单晶高镍NMC811正极材料合成路线。
• 解决传统固态合成方法中单晶形成过程中的团聚问题。
• 通过氧化物中间相中的受控相分离，实现单晶生长与镍偏析的同步进行。
• 在全电池结构中实现高循环稳定性和结构鲁棒性。
• 建立一种可扩展、适合工业应用的先进锂离子电池正极材料制备路径。

提出的方法

• 通过调控形貌，可控合成具有特定结构的镍钴锰氢氧化物（TM(OH)₂）前驱体，以引导后续相变行为。
• 对前驱体进行热分解，形成同时存在-spinel相和岩盐相的混合过渡金属氧化物（TMO）中间相。
• 在TMO形成过程中发生的纳米尺度相分离可诱导镍的再分布，从而防止颗粒团聚。
• 后续的锂化与结晶过程可获得具有均匀镍分布和较低晶界应变的单晶NMC811。
• 采用简单、可扩展的固态反应工艺，无需使用熔盐助熔剂。
• 在标准循环条件下，对制备的正极材料在2Ah软包电池中进行性能验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过受控相分离，在无熔盐助熔剂的条件下合成单晶NMC811？
• RQ2 TMO中间相中的纳米尺度相分离如何影响镍的分布与晶体生长？
• RQ3 在单晶形成过程中，-spinel相与岩盐相在去团聚行为中发挥何种作用？
• RQ4 所获得的单晶NMC811能否在全电池结构中实现长期循环稳定性？
• RQ5 所提出的合成方法是否具备可扩展性，并适合高镍正极材料的工业生产？

主要发现

• 该方法成功实现了无熔盐条件下单晶NMC811的制备，攻克了长期存在的合成难题。
• TMO中间相中的纳米尺度相分离实现了单晶生长与镍偏析的同步进行，显著降低了团聚现象。
• TMO中同时存在的-spinel相与岩盐相有助于镍的再分布，并促进单晶结构的形成。
• 所制备的NMC811正极材料在2Ah软包电池中实现了1000次稳定循环，容量保持率高。
• 无需使用熔盐简化了工艺流程，提升了工业规模生产下的成本效益。
• 反应机理揭示了一条全新的单晶正极材料合成路径，具有更高的结构稳定性。