Thermal stress-induced charge and structure heterogeneity in emerging cathode materials

材料科学 阴极 压力(语言学) 电荷(物理) 热的 工程物理 热力学 电气工程 量子力学 语言学 哲学 物理 工程类
作者
Judith Alvarado,Chenxi Wei,Dennis Nordlund,Thomas Kröll,Dimosthenis Sokaras,Yangchao Tian,Yijin Liu,Marca M. Doeff
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:35: 87-98 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2019.11.009
摘要

Nickel-rich layered oxide cathode materials are attractive near-term candidates for boosting the energy density of next generation lithium-ion batteries. The practical implementation of these materials is, however, hindered by unsatisfactory capacity retention, poor thermal stability, and oxygen release as a consequence of structural decomposition, which may have serious safety consequences. The undesired side reactions are often exothermic, causing complicated electro-chemo-mechanical interplay at elevated temperatures. In this work, we explore the effects of thermal exposure on chemically delithiated LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC-811) at a practical state-of-charge (50% Li content) and an over-charged state (25% Li content). A systematic study using a suite of advanced synchrotron radiation characterization tools reveals the dynamics of thermal behavior of the charged NMC-811, which involves sophisticated structural and chemical evolution; e.g. lattice phase transformation, transition metal (TM) cation migration and valence change, and lithium redistribution. These intertwined processes exhibit a complex 3D spatial heterogeneity and, collectively, form a valence state gradient throughout the particles. Our study sheds light on the response of NMC-811 to elevated temperature and highlights the importance of the cathode’s thermal robustness for battery performance and safety.
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