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Mn versus Al in Layered Oxide Cathodes in Lithium‐Ion Batteries: A Comprehensive Evaluation on Long‐Term Cyclability

材料科学 锂(药物) 溶解 石墨 化学工程 相(物质) 阴极 氧化物 电化学 电池(电) 阳极 电极 冶金 电气工程 医学 化学 物理 物理化学 量子力学 内分泌学 工程类 功率(物理) 有机化学
作者
Wangda Li,Xiaoming Liu,Hugo Celio,P. Griffin Smith,Andrei Dolocan,Miaofang Chi,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:8 (15) 被引量:333
标识
DOI:10.1002/aenm.201703154
摘要

Abstract Nickel‐rich layered oxide cathodes with the composition LiNi 1− x − y Co x Mn y O 2 (NCM, (1− x − y ) ≥ 0.6) are under intense scrutiny recently to contend with commercial LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) for high‐energy‐density batteries for electric vehicles. However, a comprehensive assessment of their electrochemical durability is currently lacking. Herein, two in‐house cathodes, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 and LiNi 0.7 Co 0.15 Mn 0.15 O 2 , are investigated in a high‐voltage graphite full cell over 1500 charge‐discharge cycles (≈5–10 year service life in vehicles). Despite a lower nickel content, NCM shows more performance deterioration than NCA. Critical underlying degradation processes, including chemical, structural, and mechanical aspects, are analyzed via an arsenal of characterization techniques. Overall, Mn substitution appears far less effective than Al in suppressing active mass dissolution and irreversible phase transitions of the layered oxide cathodes. The active mass dissolution (and crossover) accelerates capacity decline with sustained parasitic reactions on the graphite anode, while the phase transitions are primarily responsible for cell resistance increase and voltage fade. With Al doping, on the other hand, secondary particle pulverization is the more limiting factor for long‐term cyclability compared to Mn. These results establish a fundamental guideline for designing high‐performing Ni‐rich NCM cathodes as a compelling alternative to NCA and other compositions for electric vehicle applications.
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