Formation of Surface Impurities on Lithium–Nickel–Manganese–Cobalt Oxides in the Presence of CO2 and H2O

化学 吸附 杂质 无机化学 镍 反应性(心理学) 锰 非阻塞I/O 放热反应 钴 分析化学(期刊) 催化作用 物理化学 有机化学 医学 替代医学 病理
作者
Zongtang Fang,Matthew Phelan Confer,Yixiao Wang,Qiang Wang,M. Ross Kunz,Eric J. Dufek,Bor Yann Liaw,Tonya M. Klein,David A. Dixon,Rebecca Fushimi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (27): 10261-10274 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.1c03812
摘要

Surface impurities involving parasitic reactions and gas evolution contribute to the degradation of high Ni content LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC) cathode materials. The transient kinetic technique of temporal analysis of products (TAP), density functional theory, and infrared spectroscopy have been used to study the formation of surface impurities on varying nickel content NMC materials (NMC811, NMC622, NMC532, NMC433, NMC111) in the presence of CO 2 and H 2 O. CO 2 reactivity on a clean surface as characterized by CO 2 conversion rate in the TAP reactor follows the order: NMC811 > NMC622 > NMC532 > NMC433 > NMC111. The capacity of CO 2 uptake follows a different order: NMC532 > NMC433 > NMC622 > NMC811 > NMC111. Moisture pretreatment slows down the direct CO 2 adsorption process and creates additional active sites for CO 2 adsorption. Electronic structure calculations predict that the (012) surface is more reactive than the (10 1 4) surface for CO 2 and H 2 O adsorption. CO 2 adsorption leading to carbonate formation is exothermic with formation of ion pairs. The average CO 2 binding energies on the different materials follow the CO 2 reactivity order. Water hydroxylates the (012) surface and surface OH groups favor bicarbonate formation. Water creates more active sites for CO 2 adsorption on the (10 1 4) surface due to hydrogen bonding. The composition of surface impurities formed in ambient air exposure is dependent on water concentration and the percentage of different crystal planes. Different surface reactivities suggest that battery performance degradation due to surface impurities can be mitigated by precise control of the dominant surfaces in NMC materials.
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