The influence of electrochemical cycling protocols on capacity loss in nickel-rich lithium-ion batteries

锂(药物) 电化学 容量损失 材料科学 自行车 离子 冶金 化学 电极 医学 有机化学 历史 考古 内分泌学 物理化学
作者
Wesley M. Dose,Jędrzej K. Morzy,Amoghavarsha Mahadevegowda,Caterina Ducati,Clare P. Grey,Michaël De Volder
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [Royal Society of Chemistry]
卷期号:9 (41): 23582-23596 被引量:54
标识
DOI:10.1039/d1ta06324c
摘要

The transition towards electric vehicles and more sustainable transportation is dependent on lithium-ion battery (LIB) performance. Ni-rich layered transition metal oxides, such as NMC811 (LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2), are promising cathode candidates for LIBs due to their higher specific capacity and lower cost compared with lower Ni content materials. However, complex degradation mechanisms inhibit their use. In this work, tailored aging protocols are employed to decouple the effect of electrochemical stimuli on the degradation mechanisms in graphite/NMC811 full cells. Using these protocols, impedance measurements, and differential voltage analysis, the primary drivers for capacity fade and impedance rise are shown to be large state of charge changes combined with high upper cut-off voltage. Focused ion beam-scanning electron microscopy highlights that extensive microscale NMC particle cracking, caused by electrode manufacturing and calendering, is present prior to aging and not immediately detrimental to the gravimetric capacity and impedance. Scanning transmission electron microscopy electron energy loss spectroscopy reveals a correlation between impedance rise and the level of transition metal reduction at the surfaces of aged NMC811. The present study provides insight into the leading causes for LIB performance fading, and highlights the defining role played by the evolving properties of the cathode particle surface layer.
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