Effects of Calcination Conditions on the Structural and Electrochemical Behaviors of High‐Nickel, Cobalt‐Free LiNi0.9Mn0.1O2 Cathode

煅烧 阴极 电化学 材料科学 化学工程 冶金 无机化学 化学 电极 物理化学 催化作用 生物化学 工程类
作者
Steven Lee,Cheng Li,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (24) 被引量:51
标识
DOI:10.1002/aenm.202400662
摘要

Abstract Eliminating cobalt from high‐nickel layered oxide cathodes lowers the cost of lithium‐ion batteries for electric vehicles. However, cobalt‐free cathodes with high Mn 4+ and Ni 2+ contents are prone to Li/Ni mixing after synthesis, potentially compromising battery energy density, rate capability, and cycling stability. Without cobalt facilitating cation ordering in the layered structure, the degree of Li/Ni mixing in cobalt‐free cathodes depends heavily on the calcination conditions. In this study, a systematic exploration of calcination temperatures and LiOH ratio for LiNi 0.9 Mn 0.1 O 2 (NM‐90) provides detailed insights into the optimal synthesis conditions for high‐capacity cobalt‐free cathodes with extended cycle life. Surprisingly, high Li/Ni mixing does not necessarily lead to poor cycling stability whereas low Li/Ni mixing does not guarantee a long cycle life. More importantly, although excessive calcination temperature can further decrease Li/Ni mixing, it does not necessarily enhance capacity. Instead, the pernicious effects from the H2 → H3 phase transition are amplified due to a pronounced two‐phase reaction. An extensive suite of chemical and structural characterization methods uncovers a correlation between elevated calcination temperature, phase transformation, cation ordering, and capacity fading behavior: “overcooking” high‐nickel, cobalt‐free cathodes induce structural arrangement toward that of LiNiO 2 , with exacerbated lattice distortion and surface instability accelerating capacity fade.
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