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Microstructural visualization of compositional changes induced by transition metal dissolution in Ni-rich layered cathode materials by high-resolution particle analysis

材料科学 溶解 阴极 电解质 阳极 冶金 粒子(生态学) 电极 分析化学(期刊) 化学工程 物理化学 色谱法 海洋学 地质学 工程类 化学
作者
Dong‐Su Ko,Jun‐Ho Park,Sungjun Park,Yong Nam Ham,Sung Jin Ahn,Jin-Hwan Park,Heung Nam Han,Eunha Lee,Woo Sung Jeon,Changhoon Jung
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:56: 434-442 被引量:167
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.11.046
摘要

The dissolution of transition metals (TMs) from LiMO2 (M = Ni, Co, Mn) cathodes and their subsequent side reactions on the anode and in the electrolyte result in Li-ion battery capacity and power losses. Despite the importance of this process, the lack of adequate analysis methods for tracking the subtle compositional changes at specific locations with nano-meter spatial resolution has prevented the elucidation of its microstructural origin and mechanism. Herein, we studied the dissolution of TMs from a Ni-rich layered cathode and investigated their deposition on a graphite anode and reactions with the electrolyte, with focus on the microstructural aspects. Changes in TM and oxygen contents in Ni-rich LiNi0.87Co0.09Mn0.04O2 (NCM) cathode materials were two-dimensionally visualized on a micro-scale gathering by nano-scale analysis, which enabled high-resolution particle analysis, through transmission electron microscopy coupled with X-ray energy dispersive spectroscopy. Degraded (capacity retention < 80%) NCM particles featuring grain-boundary cracking caused by repeated volume expansion/contraction upon charge/discharge exhibited compositions similar to that of pristine particles, whereas sectionalized chemical composition mapping revealed that broken and pulverized NCM particles, i.e., those very heavily fractured and broken in such a way as to directly expose the particle surface to the electrolyte, exhibited decreased TM contents. Therefore, TM dissolution was concluded to occur at the cathode material–electrolyte interface and be one of the main reasons of electrode material degradation.
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