In this study, high nickel layered LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials for lithium-ion batteries were modified by yttrium doping and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) coating. The effects of yttrium doping and PEDOT:PSS coating on the structural and electrochemical properties of the LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode material were investigated and compared. The substitution of nickel with an electrochemically inert yttrium was confirmed to be successful in stabilizing the layered structure framework. Moreover, coating the surfaces of the LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 particles with a conductive polymer, PEDOT:PSS, improved the capacity retention, thermal stability, and impedance of the cathode material by increasing its ionic and electric conductivities.
Choi, Jin Hyeok;Kwon, Soon-Jong;Lim, Jungho;Lim, Ji-Hun;Lee, Sung-Eun;Park, Kwangyong
KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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제6권4호
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pp.461-466
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2020
There are many application fields of electrical energy storage such as load shifting, integration with renewables, frequency or voltage supports, and so on. Especially, the frequency regulation is needed to stabilize the electric power system, and there have to be more than 1 GW as power reserve in Korea. Ni-rich layered oxide cathode materials have been investigated as a cathode material for Li-ion batteries because of their higher discharge capacity and lower cost than lithium cobalt oxide. Nonetheless, most of them have been investigated using small coin cells, and therefore, there is a limit to understand the deterioration mode of Ni-rich layered oxides in commercial high energy Li-ion batteries. In this paper, the pouch-type 20 Ah-scale Li-ion full cells are fabricated using Ni-rich layered oxides as a cathode and graphite as an anode. Above all, two test conditions for the application of frequency regulation were established in order to examine the performances of cells. Then, the electrochemical performances of two types of Ni-rich layered oxides are compared, and the long-term performance and degradation mode of the cell using cathode material with high nickel contents among them were investigated in the frequency regulation conditions.
Song, Jun-Ho;Bae, Joongho;Lee, Ko-woon;Lee, Ilbok;Hwang, Keebum;Cho, Woosuk;Hahn, Sang June;Yoon, Songhun
Journal of Industrial and Engineering Chemistry
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제68권
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pp.124-128
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2018
Titanium doping is employed to enhance the structural strength of a high-Ni layered cathode material in lithium ion batteries during high temperature cycling. After Ti-doping, the external morphology remains similar, but the lattice parameters of the layered structure are slightly shifted toward larger values. With application of the prepared materials as cathodes in lithium-ion batteries, the initial capacities are similar but the cycling performance at $25^{\circ}C$ is enhanced by Ti-doping. During high temperature cycling at $60^{\circ}C$, furthermore, highly improved capacity retention is achieved with the Ti-doped material (95% of initial capacity at 50th cycles), while cycle fading is accelerated with the bare electrode. This enhancement is attributed to better retention of the compressive strength of the particles and retarded crack formation within the particles. In addition, impedance increase is reduced in the Ti-doped electrode, which is attributed to an improvement in the structural strength of the high-Ni cathode material with Ti-doping.
Ni-rich layered oxides cathode has recently gained attention as an advanced cathode material due to their applicable energy density. However, as the Ni component in the layered site is increased, the high reactivity of Ni4+ results in parasitic reaction associated with decomposing electrolyte, which leads to a rapid decreasing the lifespan of the cell. The electrolyte additive triallyl borate (TAB) improves interfacial stability, leading to a stable cathode-electrolyte interphase (CEI) layer on the LNCM83 cathode. A multi-functionalized TAB additive can produce a uniformly distributed CEI layer via electrochemical oxidation, which implies an increase in long-term cycling performance. After 100 cycles at elevated temperature, the cell tested by 0.75 TAB retained 88.3% of its retention ratio, whereas the cell performed by TAB-free electrolyte retained 64.1% of its retention. Once the TAB additive formed CEI layers on the LNCM83 cathode, it inhibited the decomposition of carbonate-based solvents species in addition to the dissolution of transition metal components from the cathode. The addition of TAB to LNCM83 cathode material is believed to be a promising way to increase the electrochemical performance.
Layered $LiNi_{0.83}Co_{0.11}Mn_{0.06}O_2$ cathode materials single- and dual-doped by the rare-earth elements Ce and Nd are successfully fabricated by using a coprecipitation-assisted solid-phase method. For comparison purposes, non-doping pristine $LiNi_{0.83}Co_{0.11}Mn_{0.06}O_2$ cathode material is also prepared using the same method. The crystal structure, morphology, and electrochemical performances are characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) mapping, and electrochemical techniques. The XRD data demonstrates that all prepared samples maintain a typical ${\alpha}-NaFeO_2$-layered structure with the R-3m space group, and that the doped samples with Ce and/or Nd have lower cation mixing than that of pristine samples without doping. The results of SEM and EDS show that doped elements are uniformly distributed in all samples. The electrochemical performances of all doped samples are better than those of pristine samples without doping. In addition, the Ce/Nd dual-doped cathode material shows the best cycling performance and the least capacity loss. At a 10 C-rate, the electrodes of Ce/Nd dual-doped cathode material exhibit good capacity retention of 72.7, 58.5, and 45.2% after 100, 200, and 300 cycles, respectively, compared to those of pristine samples without doping (24.4, 11.1, and 8.0%).
Recently, layered nickel-rich cathode materials (NCM) have attracted considerable attention as advanced alternative cathode materials for use in lithium-ion batteries (LIBs). However, their inferior surface stability that gives rise to rapid fading of cycling performance is a significant drawback. This paper proposes a simple and convenient coating method that improves the surface stability of NCM using sulfate-based solvents that create artificial cathode-electrolyte interphases (CEI) on the NCM surface. SOx-based artificial CEI layer is successfully coated on the surface of the NCM through a wet-coating process that uses dimethyl sulfone (DMS) and dimethyl sulfoxide (DMSO) as liquid precursors. It is found that the SOx-based artificial CEI layer is well developed on the surface of NCM with a thickness of a few nanometers, and it does not degrade the layered structure of NCM. In cycling performance tests, cells with DMS- or DMSO-modified NCM811 cathodes exhibited improved specific capacity retention at room temperature as well as at high temperature (DMS-NCM811: 99.4%, DMSO-NCM811: 88.6%, and NCM811: 78.4%), as the SOx-based artificial CEI layer effectively suppresses undesired surface reactions such as electrolyte decomposition.
To allow stable cycling of layered nickel-rich cathode material at high voltage, silyl-functionalized dimethoxydimethylsilane is proposed as a multi-functional additive. In contrast to typical functional additive, dimethoxydimethylsilane does not make artificial cathode-electrolyte interfaces by electrochemical oxidation because it is quite stable under anodic polarization. We find that dimethoxydimethylsilane mainly focuses on scavenging nucleophilic fluoride species that can be produced by electrolyte decomposition during cycling, leading to improving interfacial stability of both nickel-rich cathode and graphite anode. As a result, the cell cycled with dimethoxydimethylsilane-controlled electrolyte exhibits 65.7% of retention after 100 cycle, which is identified by systematic spectroscopic analyses for the cycled cell.
[ $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{1-x}Mn_xO_3$ ] cathode as a high performance cathode on YSZ electrolyte was studied by analyzing impedance spectra. It was shown that cathode property of $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{1-x}Mn_xO_3$ is bet ter than that of$La_{0.8}Sr_{0.2}CoO_3$. At $700^{\circ}C$ in air environment, $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{0.4}Mn_{0.6}O_3$ cathode on CGO- layered YSZ electrolyte showed very low area specific resistance of $0.14{\Omega}cm^2$, which is low enough for intermediate-temperature sol id oxide fuel cells. This is because material properties of ionic conductivity and thermal expansion compatibility with electrolyte were optimized. Judging from activation energy and oxygen part i al pressure dependance of cathode property, it was noted that oxygen surface exchange kinetics is dominantly influential on cathode property in higher temperature region than $700^{\circ}C$ and oxygen self-diffusion in cathode material is more influential in lower temperature region.
A layered planer SOFC module was designed from planar-type SOFC. It was prepared by multi-layered ceramic technology. To form the cathode and the anode in the layered structure, reliable channels should be made on the both side of electrolyte perpendicularly. However, monolithic SOFC using multi-layered ceramic technology hasn't been studied another group, and the warpage of electrolyte in the channel, also, hasn't been studied, when electrode is printed on the electrolyte. In this study, the channels are prepared with electrode printing, and their warpage are evaluated. In the case of YSZ without electrode, the warpages are nothing in the limit of measurement using optical microscope. The warpage of 'YSZ-NiO printed' increases than that of 'NiO printed', and also, the case of 'double electrode printed' is similar to 'YSZ-NiO printed'. It is thought that, in the printed electrolyte, the warpage is related to the difference of the sintering behavior of each material.
최근 리튬이차전지 양극 소재의 다양한 열화 메커니즘들이 밝혀지면서 이것을 제어하여 새로운 전기화학적 특성을 구현하고 기존 소재의 한계점을 극복하고자 하는 연구결과들이 많이 보고되고 있다. 특히, 리튬과잉산화물은 250 mA h g-1 이상의 고 용량 차세대 리튬이차전지 양극 물질로 주목받고 있으나, 충방전 과정 중에 소재 특유의 원자 구조 열화로 인해 활용이 제한되고 있다. 본 연구는 0.4Li2MnO3_0.6LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 리튬과잉소재의 충방전 과정 중에서 겪는 원자 구조 변화 과정을 분석하여 소재의 열화 과정을 밝히고 이를 개선하기 위한 연구 방향을 제시하고자 한다. 이를 위해, 원자 단위의 분해능을 갖는 전자투과현미경을 활용하여 충방전 중 원자 구조의 변화 과정을 분석하고 이러한 구조 변화가 소재의 전기화학적 특성에 어떠한 영향을 미치는지 밝히고자 하였다. 충전 과정 중에 발생한 다량의 리튬 빈자리로 인해 구조 불안정성이 일어났고, 이로 인해 전이 금속이 리튬 빈 자리로 이동하면서 구조 열화가 확인되었다. 결과적으로 이러한 구조 변이는 리튬과잉소재의 가장 큰 문제점인 방전 전압 강하 특성을 야기한다는 것을 알아내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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