Lithium-ion batteries have been considered the most important devices to power mobile or small-sized devices due to their high energy density. $LixCoO_2$ has been studied as a cathode material for the Li-ion battery. However, the limitation of its capacity impedes the development of high capacity cathode materials with Ni, Mn, etc. in them. The substitution of Mn and Ni for Co leads to the formation of solid solution phase $LiNi_xMn_yCo_{1-x-y}O_2$ (NMC, both x and y < 1), which shows better battery performance than unsubstituted $LiCoO_2$. However, despite a high discharge capacity in the Ni-rich compound (Ni > 0.8 in the metal site), poor cycle retention capability still remains to be overcome. In this study, aiming to improve the stability of the physical and chemical bonding, we investigate the stabilization effect of Ca in the Ni-rich layered compound $Li(Ni_{0.83}Co_{0.12}Mn_{0.05})O_2$, and then Ca is added to the modified secondary particles to lower the degree of cationic mixing of the final particles. For the optimization of the final grains added with Ca, the Ca content (x = 0, 2.5, 5.0, 10.0 at.%) versus Li is analyzed.
Seongmin Kim;Hanseul Kim;Sung Wook Doo;Hee-Jae Jeon;In Hye Kim;Hyun-seung Kim;Youngjin Kim
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.14
no.3
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pp.293-300
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2023
The global energy storage markets have gravitated to high-energy-density and low cost of lithium-ion batteries (LIBs) as the predominant system for energy storage such as electric vehicles (EVs). High-Ni layered oxides are considered promising next-generation cathode materials for LIBs owing to their significant advantages in terms of high energy density. However, the practical application of high-Ni cathodes remains challenging, because of their structural and surface instability. Although extensive studies have been conducted to mitigate these inherent instabilities, a two-step process involving the synthesis of the cathode and a dry/wet coating is essential. This study evaluates a one-step β-Li2SnO3 layer coating on the surface of LiNi0.8Co0.2O2 (NC82) via the thermal segregation of Sn owing to the solubility limit with respect to the synthesis temperature. The doping, segregation, and phase transition of Sn were systematically revealed by structural analyses. Moreover, surface-engineered 5 mol% Sn-coated LiNi0.8Co0.2O2 (NC82_Sn5%) exhibited superior capacity retention compared to bare NC82 owing to the stable surface coating layer. Thus, the developed one-step coating method is suitable for improving the properties of high-Ni layered oxide cathode materials for application in LIBs.
The electrochemical characteristics from various particle sizes of $Ce_{0.9}Gd_{0.1}O_{2-{\delta}}$ (CGO91) in composite cathode comprised of the samarium-strontium doped layered perovskite ($SmBa_{0.5}Sr_{0.5}Co_2O_{5+{\delta}}$) and CGO91 have been investigated for possible application as a cathode material for an intermediate temperature-operating solid oxide fuel cell (IT-SOFC). The area specific resistances (ASRs) of composite cathodes with CGO91 having smaller particle size ($0.4\sim42{\mu}m$) and SBSCO of 1 : 1 ratio (50wt% SBSCO and 50 wt% CGO91, SBSCO: 50) give the lowest ASR of $0.10{\mu}cm^2$ at $600^{\circ}C$ and $0.013{\Omega}cm^2$ at $700^{\circ}C$. However, composite cathodes with having relatively bigger CGO91 particle size show the two times higher ASR results than those of SBSCO : 50. From the 10 times thermal cycles in SBSCO : 50, the ASRs of SBSCO : 50 increased from $0.0193{\Omega}cm^2$ to $0.094{\Omega}cm^2$ at $700^{\circ}C$, however, the ASR value was maintained after 7 times of thermal cycling.
To improve the conventional cathode-supported tubular solid oxide fuel cell (SOFC) from the viewpoint of low cell power density, expensive fabrication process and high operation temperature, the anode-supported tubular solid oxide fuel cell was investigated. The anode tube of Ni-8mol% $Y_2$O$_3$-stabilized $ZrO_2$ (8YSZ) was manufactured by extrusion process, and, the electrolyte of 8YSZ and the multi-layered cathode of $LaSrMnO_3$(LSM)ILSM-YSZ composite/$LaSrCoFeO_3$ were coated on the surface of the anode tube by slurry dip coating process, subsequently. Their cell performances were examined under gases of humidified hydrogen with 3% water and air. In the thermal cycle condition of heating and cooling rates with $3.33^{\circ}C$/min, the anode-supported tubular cell showed an excellent resistance as compared with the electrolyte-supported planar cell. The optimum hydrogen flow rate was evaluated and the air preheating increased the cell performance due to the increased gas temperature inside the cell. In long-term stability test, the single cell indicated a stable performance of 300 mA/$\textrm{cm}^2$ at 0.85 V for 255 hr.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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1998.11a
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pp.25-28
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1998
Lithiated cobalt and nickel oxides are becoming very attractive as active cathode materials for secondary lithium ion secondary battery. $LiCoO_2$ is easily synthesized from lithium cobalt salts, but has a relatively high oxidizing potential on charge. LiNiOz is synthesized by a more complex procedure and its nonstoichiometry significantly degraded the charge-discharge characteristics. But $LiNiO_2$ has a lower charge potential which increases the system stability. Lithiated cobalt and nickel oxides are iso-structure which make the preparation of solid solutions of $LiNi_{1-x}Co_xO_2$ for O$LiCoO_2 and LiNiO_2$ electrode. The aim of the presentb paper is to study the electrochemical behaviour, as weU as the possibilities for practical application of layered Iithiated nickel oxide stabilized by $Co^{3+}$ substitution as active cathode materials in lithium ion secondary battery.
Capacity of layered lithium nickel-cobalt-manganese oxide ($LiNi_{1-x-y}Co_xMn_yO_2$) cathode material can increase by raising the charge cut-off voltage above 4.3 V vs. $Li/Li^+$, but it is limited due to anodic instability of conventional electrolyte. We have been screening and evaluating various sulfone-based compounds of dimethyl sulfone (DMS), diethyl sulfone (DES), ethyl methyl sulfone (EMS) as electrolyte additives for high-voltage applications. Here we report improved cycling performance of $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ cathode by the use of dimethyl sulfone (DMS) additive under an aggressive charge condition of 4.6 V, compared to that in conventional electrolyte, and cathode-electrolyte interfacial reaction behavior. The cathode with DMS delivered discharge capacities of $198-173mAhg^{-1}$ over 50 cycles and capacity retention of 84%. Surface analysis results indicate that DMS induces to form a surface protective film at the cathode and inhibit metal-dissolution, which is correlated to improved high-voltage cycling performance.
Park, Seonhye;Hong, Soonhyun;Jeon, Hyeonggwon;Kim, Chunjoong
Korean Journal of Materials Research
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v.30
no.11
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pp.636-640
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2020
Due to the serious air pollution problem, interest in eco-friendly vehicles is increasing. Solving the problem of pollution will necessitate the securing of high energy storage technology for batteries, the driving force of eco-friendly vehicles. The reason for the continuing interest in the transition metal oxide LiMO2 as a cathode material with a layered structure is that lithium ions reveal high mobility in two-dimensional space. Therefore, it is important to investigate the effective intercalation and deintercalation pathways of Li+, which affect battery capacity, to understand the internal structure of the cathode particle and its effect on the electrochemical performance. In this study, for the cathode material, high nickel Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 precursor is synthesized by controlling the ammonia concentration. Thereafter, the shape of the primary particles of the precursor is investigated through SEM analysis; X-ray diffraction analysis is also performed. The electrochemical properties of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 are evaluated after heat treatment.
Kim, Chan Gyu;Shin, Tae Ho;Nam, Jung Hyun;Kim, Jung Hyun
New & Renewable Energy
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v.18
no.2
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pp.40-49
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2022
In this study, the phase and electrochemical properties of Co and Ti substituted layered perovskites SmBaCo2-xTixO5+d (x=0.5, 0.7, 1.0, 1.1, 1.3, and 1.5) were analyzed, and their application as electrodes in solid oxide fuel cells (SOFCs) were evaluated. After calcination at 1300℃ for 6 h, a single phase was observed for two compositions of the SmBaCo2-xTixO5+d oxide system, SmBaCoTiO5+d (x=1.0) and SmBaCo0.9Ti1.1O5+d (x=1.1). However, the phases of SmBaCoTiO5+d (SBCTO) and SmTiO3 coexisted for compositions with x≥1.3 (Ti content). In contrast, for compositions of x≤0.7, the SmBaCo2O5+d phase was observed instead of the SmTiO3 phase. To evaluate the applicability of these materials as SOFC electrodes, the electrical conductivities were measured under various atmospheres (air, N2, and H2). SBCTO exhibited stable semi-conductor electrical conductivity behavior in an air and N2 atmosphere. However, SBCTO showed insulator behavior at temperatures above 600℃ in a H2 atmosphere. Therefore, SBCTO may only be used as cathode materials. Moreover, SBCTO had an area specific resistance (ASR) value of 0.140 Ω·cm2 at 750℃.
Cleaning effect is well known mechanism of oxide layer removal in DCEP polarity. It is also known that DCEN has higher heat input efficiency than DCEP in GTAW process. Based on these two renowned arc theories, conventional variable polarity arc for aluminum welding was set up to have minimum DCEP and maximum DCEN duty ratio to achieve the highest heat input efficiency and weldability increase. However, recent several variable polarity GTA research papers reported unexpected result of proportional relationship between DCEP duty ratio and heat input. The authors also observed the same result then suggested combination of tunneling effect and random walk of cathode spot to fill up the gap between experiment and conventional arc theory. In this research, suggested combinational work of tunneling effect and rapid cathode spot changing is applied to another unexpected phenomena of variable polarity aluminum arc welding. From previous research, it is reported that wider oxide removal range, narrower bead width and shallower penetration depth are observed in thin oxide layered aluminum compared to the case of thick oxide. This result was reported for the first time and it was hard to explain the reason at that time therefore the inference by the authors was hardly acceptable. However, the suggested combinational theory successfully explains the result of the previous report in logical way.
Layered $Li_{1.2}(Fe_{0.16}Mn_{0.32}Ni_{0.32})O_2$ was prepared by the mixed hydroxide method at various temperatures. Xray diffraction (XRD) pattern shows that this material has a ${\alpha}-NaFeO_2$ layered structure with $R{\bar{3}}m$ space group and that cation mixing is reduced with increasing synthesis temperature. Scanning electron microscopy (SEM) reveals that nano-sized $Li_{1.2}(Fe_{0.16}Mn_{0.32}Ni_{0.32})O_2$ powder has uniform particle size distribution. X-ray absorption near edge structure (XANES) analysis is used to study the local electronic structure changes around the Mn, Fe, and Ni atoms in this material. The sample prepared at $700^{\circ}C$ delivers the highest discharge capacity of 207 $mAhg^{-1}$ between 2-4.5 V at 0.1 $mAcm^{-2}$ with good capacity retention of 80% after 20 cycles.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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