Anisotropic Lattice Strain and Mechanical Degradation of High- and Low-Nickel NCM Cathode Materials for Li-Ion Batteries

材料科学 微晶 离子 阴极 扫描电子显微镜 衍射 锂(药物) 复合材料 冶金 化学工程 化学 物理化学 光学 物理 有机化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Aleksandr Kondrakov,Alexander Schmidt,Jin Xu,Holger Geßwein,Reiner Mönig,Pascal Hartmann,Heino Sommer,Torsten Brezesinski,Jürgen Janek
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (6): 3286-3294 被引量:557
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.6b12885
摘要

In the near future, the targets for lithium-ion batteries concerning specific energy and cost can advantageously be met by introducing layered LiNixCoyMnzO2 (NCM) cathode materials with a high Ni content (x ≥ 0.6). Increasing the Ni content allows for the utilization of more lithium at a given cell voltage, thereby improving the specific capacity but at the expense of cycle life. Here, the capacity-fading mechanisms of both typical low-Ni NCM (x = 0.33, NCM111) and high-Ni NCM (x = 0.8, NCM811) cathodes are investigated and compared from crystallographic and microstructural viewpoints. In situ X-ray diffraction reveals that the unit cells undergo different volumetric changes of around 1.2 and 5.1% for NCM111 and NCM811, respectively, when cycled between 3.0 and 4.3 V vs Li/Li+. Volume changes for NCM811 are largest for x(Li) < 0.5 because of the severe decrease in interlayer lattice parameter c from 14.467(1) to 14.030(1) Å. In agreement, in situ light microscopy reveals that delithiation leads to different volume contractions of the secondary particles of (3.3 ± 2.4) and (7.8 ± 1.5)% for NCM111 and NCM811, respectively. And postmortem cross-sectional scanning electron microscopy analysis indicates more significant microcracking in the case of NCM811. Overall, the results establish that the accelerated aging of NCM811 is related to the disintegration of secondary particles caused by intergranular fracture, which is driven by mechanical stress at the interfaces between the primary crystallites.
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