A Study to Target and Overcome Resistance Influencing Factors of Ni-rich-Based Cathode Composites for Next-Generation Lithium-Ion Batteries

Abstract

The increase in adoption of lithium-ion batteries (LIBs) necessitates the development of safe and high energy density versions, particularly considering the growing demand from electric vehicles and energy storage applications, where the consequences of failure are extreme. The degradation of Ni-rich cathode materials in liquid and solid electrolyte systems is investigated in this study with particular focus on overcoming these destructive mechanisms. The goal is to increase the efficiency of Ni-rich cathode materials while also better understanding resistance and degradation influencing factors in cathode composites. In liquid electrolyte systems, intentionally exposing the cathode material to unfavorable air conditions resulted in degradation and encouraged the use of various coatings to stabilize the active material. Even after degradation, the coated samples, notably the diffusive coating of LiCoO2 (LCO), displayed exceptional capacity retention rates. However, when exposed to ambient air degradation, the standard surface coating of Li2SnO3 (LSO), exclusively coating on the outermost layer of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), revealed shortcomings. Internal deterioration of NCM811 secondary particles was reduced by putting a coating at the internal grain boundaries, reducing worries about unintended environmental exposure. A composite material composed of sulfide electrolyte, NCM811 active material, and Super-C conductive additive was investigated in the context of solid-state electrolyte systems. The same coatings were applied in the solid-state system, with the poor results highlighting the very different nature and requirements of solid and liquid electrolyte-based systems. It was concluded that because of side interactions between the conductive additive and the solid electrolyte interface, coating the active material alone was unsatisfactory. The substitution of carbon nanofiber (CNF) material for Super-C lowered side reactions while increasing ionic resistance within the cathode composite. Although acid treatment improved the CNF material's ion conducting capabilities, instability difficulties developed when it was combined with solid electrolytes and active components. To improve compatibility, an Li+ ion swapping technique was used, resulting in a lithium-enhanced functionalized carbon nanofiber (LF CNF) material. When LF CNF was introduced to replace the standard conductive additive in the cathode composite, it demonstrated advantages in ionic conductivity, electrochemical performance, cyclability, high-rate capability, and stability. This study focuses on improving the safety and performance of Ni-rich cathode composites in both liquid and solid electrolyte-based LIBs. The findings provide important insights into the variable levels of degradation and resistance associated with various materials in these systems. The strategies described here are intended to help advance extreme high ratio Ni-rich cathode materials by boosting their safety and commercialization. |최근 리튬이온 배터리(LIB)의 수요가 증가함에 따라 안전성과 고에너지를 갖는 배터리 개발이 주목받고 있습니다. LIB 적용이 모바일 기기에 탑재되는 소형전지 중심의 산업에서 전기 자동차 및 에너지 저장시스템(ESS)용 중대형전지로의 확장되면서 품질과 안전과 관련된 성능 기준이 점점 높아지고 있습니다. 그 중 니켈이 다량 함유된(Ni-rich) 고용량 양극재에 대한 관심이 대두되고 있지만, 충방전에 따른 양극재의 열화 현상이 여전히 문제점으로 남아 있습니다. 따라서 본 연구는 액체 및 고체 전해질 전지 시스템에서 Ni-rich 물질의 열화 현상을 개선하고자 열화 메커니즘을 연구하고자 합니다. 본 연구의 목표는 이러한 양극재의 열화 원인을 분석하여 억제시킴과 동시에 성능을 증가시켜 효율적인 양극재를 개발하는 것입니다. 액체 전해질 기반 시스템에서 양극재 표면이 공기 중에 노출되면 불필요한 부반응을 발생하고 표면 균열이 발생하고 이는 표면 열화의 주요 원인이 됩니다. 이를 억제하기 위해 현재 많은 연구에서 양극재에 다양한 코팅을 적용함으로써 양극재 표면을 주변 환경으로부터 유해한 상호작용을 억제시켜 표면을 안정화시킵니다. 특히 LiCoO2와 같은 코팅은 c-rate 2C로 50 cycle 구동 후에도 높은 용량 유지율을 유지할 수 있습니다. 그러나 표면 코팅은 최적조건에서는 유리한 성능을 보이지만, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)의 경우 최외각층에만 Li2SnO3 (LSO)이 코팅되어 있어 주변 대기 중에 노출되었을 때 성능과 용량 유지율이 저하된다는 것을 확인했습니다. 본 연구는 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811) 입자의 내부 결정립계 코팅을 통해 내부 열화를 줄여 기존 표면 코팅 문제점들을 개선시킬 수 있습니다. 적절한 코팅 기술에 대한 해당 연구 결과가 미리 적용되었다면 주변 환경의 부주의한 노출에 대한 산업적인 우려를 제한할 수 있었음을 시사합니다. 또한 이러한 코팅의 연구는 파손에 강한 이차입자 형태의 NCM 구조의 생산에서 기존의 도전을 해결하는 데 잠재력을 갖고 있어 미래 연구 노력이 권장됩니다. 황화물계 고체 전해질 기반 시스템에서 황화물계 고체전해질, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811) 및 Super-C 도전재로 구성된 복합체 계면에 전극/전해질 간의 인터페이스에서 화학 반응으로 인한 저항이 발생합니다. 이를 억제하기 위해 액체 전해질 기반 시스템과 매우 다른 특성과 요구사항을 강조하는 고체 전해질 기반 시스템에서도 동일한 코팅 기술을 적용하였습니다. 하지만 도전재와 고체 전해질 사이의 계면 부반응으로 양극재 단일 코팅은 만족스러운 결과를 도출하기 어려웠습니다. 도전재를 Super-C에서 탄소 나노섬유(CNF)로 대체하여 부반응을 줄였지만 여전히 고체전해질, 양극재로 복합체를 구성할 때 불안정성 문제가 발생했습니다. 이를 개선하고자 본 연구는 간단한 산 처리를 통해 전도 물질(CNF)을 기능화하였습니다. 개발된 기능화 CNF는 이온전도성, 전기화학 성능, 수명특성, 고율특성, 안전성을 개선할 수 있다는 것을 입증했습니다. 이 연구는 액체 및 고체전해질 기반 시스템 모두 Ni-rich 양극재의 안전성과 성능 개선에 중점을 두고 있습니다. 도출된 연구 결과들은 이러한 시스템의 다양한 물질의 열화 및 저항에 대한 중요한 통찰력을 시사합니다. 이 연구 전략들은 Ni-rich 양극재의 안정적인 시스템 개발을 통해 빠른 상용화를 가능하게 할 것입니다.