Single‐Crystal LiNixMnyCo1−x−yO2 Cathodes for Extreme Fast Charging

微晶 阴极 材料科学 晶界 晶间腐蚀 电解质 单晶 表征(材料科学) 分析化学(期刊) 结晶学 纳米技术 电极 微观结构 冶金 化学 物理化学 色谱法
作者
Yanying Lu,Tianyu Zhu,Eric J. McShane,Bryan D. McCloskey,Guoying Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (12): e2105833-e2105833 被引量:58
标识
DOI:10.1002/smll.202105833
摘要

Abstract Ni‐rich layered LiNi x Mn y Co 1− x − y O 2 (NMCs, x ≥ 0.8) are poised to be the dominating cathode materials for lithium‐ion batteries for the foreseeable future. Conventional polycrystalline NMCs, however, suffer from severe cracking along the grain boundaries of primary particles and capacity loss under high charge and/or discharge rates, hindering their implementation in fast‐charging electric vehicular (EV) batteries. Single‐crystal (SC) NMCs are attractive alternatives as they eliminate intergranular cracking and allow for grain‐level surface optimization for fast Li transport. In the present study, the authors report synthetic approaches to produce SC LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NMC811) samples with different morphologies: Oct‐SC811 with predominating (012)‐family surface and Poly‐SC811 with predominating (104)‐family surface. Poly‐SC811, representing the first experimentally synthesized NMC811 single crystals with (104) surface, delivers superior performance even at the ultra‐high rate of 6 C. Through detailed X‐ray analysis and electron microscopy characterization, it is shown that the enhanced performance originates from better chemical and structural stabilities, faster Li + diffusion kinetics, suppressed side reactions with electrolyte, and excellent cracking resistance. These insights provide important design guidelines in the future development of fast‐charging NMC‐type cathode materials.
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