Capacity Fading of Ni-Rich NCA Cathodes: Effect of Microcracking Extent（2019）

20210629

作者：NAM（Hanyang University, South Korea）

ABSTRACT

The capacity retention and thermal property of the cathodes deteriorate as their discharge capacity increases when the Ni fraction is increased. The capacity fading correlates well with the anisotropic volume variations caused by the H2−H3 phase transition and the resulting extent of microcracking. Although all three cathodes start to develop microcracks after being charged to 3.9 V, the potential at which microcracks propagated to the outer surface of the particle decreases with increasing Ni content. These microcracks undermine the mechanical integrity of the cathode and facilitate electrolyte penetration into the particle core, which accelerates surface degradation of the internal primary particles. Therefore, mitigating or delaying the H2−H3 phase transition is key to improving the cycling performance of Ni-rich NCA cathodes.

カソードの容量保持と熱特性は、Niの割合が増加すると放電容量が増加するにつれて低下します。 容量の低下は、H2-H3相転移によって引き起こされる異方性体積変動および結果として生じる微小亀裂の程度とよく相関します。 3つのカソードはすべて3.9Vに充電された後、マイクロクラックが発生し始めますが、マイクロクラックが粒子の外面に伝播する可能性は、Ni含有量の増加とともに減少します。 これらのマイクロクラックは、カソードの機械的完全性を損ない、粒子コアへの電解質の浸透を促進し、内部の一次粒子の表面劣化を加速します。 したがって、H2-H3相転移を緩和または遅延させることは、Niに富むNCAカソードのサイクル性能を改善するための鍵となります。

However, it is well-established that increasing the Ni fraction in NCM cathodes leads to the deterioration of both cycling performance and thermal stability. →ref.(6−11)

ただし、NCMカソードのNiの割合を増やすと、サイクル性能と熱安定性の両方が低下することは十分に確立されています。

Moreover, the capacity of Li[Ni0.84 Co0.12 Al0.04]O2 cathodes, which are currently deployed in Tesla Model 3 and Model X batteries, is insufficient to provide the required energy density of 350 Wh/kg for the driving range threshold of 300 miles per charge for next-generation EVs。To achieve this goal, the Ni fraction in an NCA cathode should be increased from 0.84 to more than 0.88. ➡ref️12

さらに、テスラモデル3およびモデルXバッテリーに現在配備されている* Li [Ni0.84 Co0.12 Al0.04] O2 **カソードの容量は、必要なエネルギー密度を提供するには不十分です。 次世代EVの1回の充電あたり300マイルの走行距離しきい値に対して350Wh / kg。この目標を達成するには、NCAカソードのNi比率を0.84から0.88以上に増やす必要があります。*

∼ 10 years of service life requiring 500 − 1000
cycles of charging and discharging

長期間（500〜1000を必要とする約10年の耐用年数
充電と放電のサイクル）。

看图：

1.Recently, similar capacity-fading behavior of Ni-
enriched NCM cathodes was reported, which was attributed to
the H2 − H3 phase transition. →ref 10,11,13,15

最近、Niに富むNCMカソードの同様の容量低下挙動が報告されました。これは、H2 −H3相転移に起因するものでした。

2.The height of the redox peaks of the NCA80 cathode, especially during the H2 − H3 phasetransition, hardly changed during cycling, which is consistentwith the excellent Li intercalation stability of the cathode. →ref.17,18
3. The microcracks that reached the particle surface expedited
electrolyte penetration into the particle interior and accelerated
the degradation of exposed primary particle surfaces which
reacted with unstable Ni4+to form a NiO-like rocksalt impurity
layer. →ref. 11,13,15,17,20,22