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Unveiling the parasitic-reaction-driven surface reconstruction in Ni-rich cathode and the electrochemical role of Li2CO3

阴极 材料科学 X射线光电子能谱 电化学 电解质 介电谱 杂质 扫描电子显微镜 化学工程 化学物理 分析化学(期刊) 化学 复合材料 电极 物理化学 有机化学 色谱法 工程类
作者
Jiyu Cai,Zhenzhen Yang,Xinwei Zhou,Bingning Wang,Ana F. Suzana,Jianming Bai,Chen Liao,Yuzi Liu,Yanbin Chen,Song Shun-lin,Xuequan Zhang,Li Wang,Xiangming He,Xiangbo Meng,Niloofar Karami,Baasit Ali Shaik Sulaiman,Natasha A. Chernova,S. Upreti,Brad Prevel,Feng Wang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:85: 126-136 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.05.048
摘要

Nickel-rich transition-metal oxides are widely regarded as promising cathode materials for high-energy-density lithium-ion batteries for emerging electric vehicles. However, achieving high energy density in Ni-rich cathodes is accompanied by substantial safety and cycle-life obstacles. The major issues of Ni-rich cathodes at high working potentials are originated from the unstable cathode-electrolyte interface, while the underlying mechanism of parasitic reactions towards surface reconstructions of cathode materials is not well understood. In this work, we controlled the Li2CO3 impurity content on LiNi0.83Mn0.1Co0.07O2 cathodes using air, tank-air, and O2 synthesis environments. Home-built high-precision leakage current and on-line electrochemical mass spectroscopy experiments verify that Li2CO3 impurity is a significant promoter of parasitic reactions on Ni-rich cathodes. The rate of parasitic reactions is strongly correlated to Li2CO3 content and severe performance deterioration of Ni83 cathodes. The post-mortem characterizations via high-resolution transition electron microscope and X-ray photoelectron spectroscopy depth profiles reveal that parasitic reactions promote more Ni reduction and O deficiency and even rock-salt phase transformation at the surface of cathode materials. Our observation suggests that surface reconstructions have a strong affiliation to parasitic reactions that create chemically acidic environment to etch away the lattice oxygen and offer the electrical charge to reduce the valence state of transition metal. Thus, this study advances our understanding on surface reconstructions of Ni-rich cathodes and prepares us for searching for rational strategies.
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