Nickel-rich lithium nickel-cobalt-manganese oxides (NCM) are viewed as promising cathode materials for lithium-ion batteries (LIBs); however, their poor cycling performance at high temperature is a critical hurdle preventing expansion of their applications. We propose the use of a functional electrolyte additive, triphenyl phosphate (TPPa), which can form an effective cathode-electrolyte interphase (CEI) layer on the surface of Ni-rich NCM cathode material by electrochemical reactions. Linear sweep voltammetry confirms that the TPPa additive is electrochemically oxidized at around 4.83 V (vs. Li/Li+) and it participates in the formation of a CEI layer on the surface of NCM811 cathode material. During high temperature cycling, TPPa greatly improves the cycling performance of NCM811 cathode material, as a cell cycled with TPPa-containing electrolyte exhibits a retention (133.7 mA h g-1) of 63.5%, while a cell cycled with standard electrolyte shows poor cycling retention (51.3%, 108.3 mA h g-1). Further systematic analyses on recovered NCM811 cathodes demonstrate the effectiveness of the TPPa-based CEI layer in the cell, as electrolyte decomposition is suppressed in the cell cycled with TPPa-containing electrolyte. This confirms that TPPa is effective at increasing the surface stability of NCM811 cathode material because the TPPa-initiated POx-based CEI layer prevents electrolyte decomposition in the cell even at high temperatures.
To allow stable cycling of layered nickel-rich cathode material at high voltage, silyl-functionalized dimethoxydimethylsilane is proposed as a multi-functional additive. In contrast to typical functional additive, dimethoxydimethylsilane does not make artificial cathode-electrolyte interfaces by electrochemical oxidation because it is quite stable under anodic polarization. We find that dimethoxydimethylsilane mainly focuses on scavenging nucleophilic fluoride species that can be produced by electrolyte decomposition during cycling, leading to improving interfacial stability of both nickel-rich cathode and graphite anode. As a result, the cell cycled with dimethoxydimethylsilane-controlled electrolyte exhibits 65.7% of retention after 100 cycle, which is identified by systematic spectroscopic analyses for the cycled cell.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.37
no.2
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pp.215-222
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2024
Ni-rich cathode materials have been developed as the most promising candidates for next-generation cathode materials for lithium-ion batteries because of their high capacity and energy density. In particular, the electrochemical performance of lithium-ion batteries could be enhanced by increasing the contents of nickel ion. However, there are still limitations, such as low structural stability, cation mixing, low capacity retention and poor rate capability. Herein, we have successfully developed the nanorod-type Ni-rich cathode materials by using co-precipitation method. Particularly, the nanorod-type primary particles of LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2 could facilitate the electron transfer because of their longitudinal morphology. Moreover, there were holes at the center of secondary particles, resulting in high permeability of the electrolyte. Lithium-ion batteries using the prepared nanorod-type LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2 achieved highly improved electrochemical performance with a superior rate capability during battery cycling.
Recently, layered nickel-rich cathode materials (NCM) have attracted considerable attention as advanced alternative cathode materials for use in lithium-ion batteries (LIBs). However, their inferior surface stability that gives rise to rapid fading of cycling performance is a significant drawback. This paper proposes a simple and convenient coating method that improves the surface stability of NCM using sulfate-based solvents that create artificial cathode-electrolyte interphases (CEI) on the NCM surface. SOx-based artificial CEI layer is successfully coated on the surface of the NCM through a wet-coating process that uses dimethyl sulfone (DMS) and dimethyl sulfoxide (DMSO) as liquid precursors. It is found that the SOx-based artificial CEI layer is well developed on the surface of NCM with a thickness of a few nanometers, and it does not degrade the layered structure of NCM. In cycling performance tests, cells with DMS- or DMSO-modified NCM811 cathodes exhibited improved specific capacity retention at room temperature as well as at high temperature (DMS-NCM811: 99.4%, DMSO-NCM811: 88.6%, and NCM811: 78.4%), as the SOx-based artificial CEI layer effectively suppresses undesired surface reactions such as electrolyte decomposition.
The first commercialized cathode material, $LiCoO_2$, suffers from disadvantages such as high cost and toxicity and also possesses safety problems. The nickel-rich $LiNi_{0.9}Mn_{0.1}O_2$ cathode material, used as an alternative to $LiCoO_2$, has highly reversible capacity and high energy density. So, the nickel-rich $LiNi_{0.9}Mn_{0.1}O_2$ cathode material is widely used as an alternative to $LiCoO_2$ due to its highly reversible capacity and high energy density. However, $LiNi_{0.9}Mn_{0.1}O_2$ has several disadvantages as well, such as poor cycle performance and poor thermal instability. To address these problems, we synthesized a new material, $LiNi_{0.5}Mn_{0.5}O_2$, as a shell on the surface of a core to suppress the surface degradation. The new material showed high structural and thermal stabilities and could also maintain a high capacity. The capacity retention of the core-shell cathode (87.7%) was better than that of the core cathode (76.9%) after 50 cycles. Analysis using differential scanning calorimetry revealed that the heat generation in the core-shell cathode ($65.9Jg^{-1}$) was lower than that in the core cathode ($559.7Jg^{-1}$).
Choi, Jin Hyeok;Kwon, Soon-Jong;Lim, Jungho;Lim, Ji-Hun;Lee, Sung-Eun;Park, Kwangyong
KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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v.6
no.4
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pp.461-466
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2020
There are many application fields of electrical energy storage such as load shifting, integration with renewables, frequency or voltage supports, and so on. Especially, the frequency regulation is needed to stabilize the electric power system, and there have to be more than 1 GW as power reserve in Korea. Ni-rich layered oxide cathode materials have been investigated as a cathode material for Li-ion batteries because of their higher discharge capacity and lower cost than lithium cobalt oxide. Nonetheless, most of them have been investigated using small coin cells, and therefore, there is a limit to understand the deterioration mode of Ni-rich layered oxides in commercial high energy Li-ion batteries. In this paper, the pouch-type 20 Ah-scale Li-ion full cells are fabricated using Ni-rich layered oxides as a cathode and graphite as an anode. Above all, two test conditions for the application of frequency regulation were established in order to examine the performances of cells. Then, the electrochemical performances of two types of Ni-rich layered oxides are compared, and the long-term performance and degradation mode of the cell using cathode material with high nickel contents among them were investigated in the frequency regulation conditions.
Park, Seonhye;Hong, Soonhyun;Jeon, Hyeonggwon;Kim, Chunjoong
Korean Journal of Materials Research
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v.30
no.11
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pp.636-640
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2020
Due to the serious air pollution problem, interest in eco-friendly vehicles is increasing. Solving the problem of pollution will necessitate the securing of high energy storage technology for batteries, the driving force of eco-friendly vehicles. The reason for the continuing interest in the transition metal oxide LiMO2 as a cathode material with a layered structure is that lithium ions reveal high mobility in two-dimensional space. Therefore, it is important to investigate the effective intercalation and deintercalation pathways of Li+, which affect battery capacity, to understand the internal structure of the cathode particle and its effect on the electrochemical performance. In this study, for the cathode material, high nickel Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 precursor is synthesized by controlling the ammonia concentration. Thereafter, the shape of the primary particles of the precursor is investigated through SEM analysis; X-ray diffraction analysis is also performed. The electrochemical properties of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 are evaluated after heat treatment.
Lithium-ion batteries have been considered the most important devices to power mobile or small-sized devices due to their high energy density. $LixCoO_2$ has been studied as a cathode material for the Li-ion battery. However, the limitation of its capacity impedes the development of high capacity cathode materials with Ni, Mn, etc. in them. The substitution of Mn and Ni for Co leads to the formation of solid solution phase $LiNi_xMn_yCo_{1-x-y}O_2$ (NMC, both x and y < 1), which shows better battery performance than unsubstituted $LiCoO_2$. However, despite a high discharge capacity in the Ni-rich compound (Ni > 0.8 in the metal site), poor cycle retention capability still remains to be overcome. In this study, aiming to improve the stability of the physical and chemical bonding, we investigate the stabilization effect of Ca in the Ni-rich layered compound $Li(Ni_{0.83}Co_{0.12}Mn_{0.05})O_2$, and then Ca is added to the modified secondary particles to lower the degree of cationic mixing of the final particles. For the optimization of the final grains added with Ca, the Ca content (x = 0, 2.5, 5.0, 10.0 at.%) versus Li is analyzed.
$LiNi_xCo_yMn_zO_2$ cathode materials have been the focus of much attention because of their high specific capacity. However, because of the poor interfacial stability between cathodes and electrolytes, the cycling performance of these materials fades rapidly, especially at high temperatures. In the present paper, we propose the use of tris(trimethylsilyl) phosphate (TMSPO), which contains phosphate and silyl functional groups, as a functional additive in electrolytes. The addition of TMSPO resulted in the formation of cathode electrolyte interphase (CEI) layers on the surfaces of the cathodes and effectively suppressed electrolyte decomposition reactions, even at high temperatures. As a result, cells cycled with TMSPO exhibited remarkable capacity, which remained after 50 cycles (82.0%), compared to cells cycled without TMSPO (64.6%).
Hye-Jin Park;Seong-Ju Sim;Bong-Soo Jin;Hyun-Soo Kim
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.15
no.1
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pp.168-177
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2024
Ni-rich cathode is one of the promising candidates for high-energy lithium-ion battery applications. Due to its specific capacity, easy industrialization, and good circulation ability, Ni-rich cathode materials have been widely used for lithium-ion batteries. However, due to the limitation of the co-precipitation method, including sewage pollution, and the instability of the long production cycles, developing a new efficient and environmentally friendly synthetic approach is critical. In this study, the Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 precursor powder was successfully synthesized by an efficient spray-drying method using carbonate compounds as a raw material. This Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 precursor was calcined by mixing with LiOH·H2O (5 wt% excess) at 480℃ for 5 hours and then sintered at two different temperatures (780℃/800℃) for 15 hours under an oxygen atmosphere to complete the cathode active material preparation, which is a key component of lithium-ion batteries. As a result, LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 cathode active material powders were obtained successfully via a simple sintering process on the Ni0.91Co0.06Mn0.03CO3 precursor powder. Furthermore, the obtained LiNi0.91Co0.06Mn0.03O2 cathode active material powders were characterized. Overall, the material sintered at 780℃ shows superior electrochemical performance by delivering a discharge capacity of 190.76 mAh/g at 1st cycle (0.1 C) and excellent capacity retention of 66.80% even after 50 cycles.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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