Mechanical densification synthesis of single-crystalline Ni-rich cathode for high-energy lithium-ion batteries

材料科学 晶间腐蚀 阴极 微晶 晶界 锂离子电池 冶金 化学工程 复合材料 合金 电池(电) 化学 微观结构 物理化学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Gwonsik Nam,Jaeseong Hwang,Dong‐Hun Kang,Sieon Oh,Sujong Chae,Moonsu Yoon,Minseong Ko
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:79: 562-568 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.12.057
摘要

The intergranular microcracking in polycrystalline Ni-rich cathode particle is led by anisotropic volume change and stress corrosion along grain boundary, accelerating battery performance decay. Herein, we have suggested a simple but advanced solid-state method that ensures both uniform transition metal distribution and single-crystalline morphology for Ni-rich cathode synthesis without sophisticated co-precipitation. Pelletization-assisted mechanical densification (PAMD) process on solid-state precursor mixture enables the dynamic mass transfer through the increased solid-solid contact area which facilitates the grain growth during sintering process, readily forming micro-sized single-crystalline particle. Furthermore, the improved chemical reactivity by a combination of capillary effect and vacancy-assisted diffusion provides homogeneous element distribution within each primary particle. As a result, single-crystalline Ni-rich cathode with PAMD process has eliminated a potential evolution of intergranular cracking, thus achieving superior energy retention capability of 85% over 150 cycles compared to polycrystalline Ni-rich particle even after high-pressure calendering process (corresponding to electrode density of ∼3.6 g cm−3) and high cut-off voltage cycling. This work provides a concrete perspective on developing facile synthetic route of micron-sized single-crystalline Ni-rich cathode materials for high energy density lithium-ion batteries (LIBs).
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