Roasting of ultra-high nickel NMC precursor cathode active material

Abstract

Lithium-ion batteries are the dominating rechargeable battery technology today. Their electrochemical performance and cost depend greatly on the properties and synthesis of cathode active materials (CAM) which has motivated the continuous search for better CAMs and improvements in their synthesis. CAMs are synthesized by calcinating precursor cathode active materials (pCAM) with a lithium source. Properties of the precursor affect the calcination process and primarily dictate the properties of the final cathode. Nickel manganese cobalt (NMC) hydroxides are a common and commercialized type of precursors which are usually prepared by co-precipitation, filtration, and drying followed by the calcination process. There has been interest and previous research on an additional pre-heating process, referred as roasting, to modify the structure of the precursor prior to calcination.

The effects of roasting on the crystal phase of ultra-high nickel NMC(OH)2 precursor were studied by heating the precursor between 150–800 ℃ under nitrogen or air atmosphere. Based on the results from ex- and in-situ XRD the NMC(OH)2 (trigonal, P3 ̅m1 space group) transformed into NMCO (cubic, Fm3 ̅m space group) oxide as the major phase at 250 ℃ in nitrogen and at 275 ℃ in air. There was a mix of the hydroxide phase and the oxide phase between 175–200 ℃ in nitrogen and at 250 ℃ in air. The phase transition occurred via thermal decomposition where water was released from the precursor structure. Future research could focus on calcinating and manufacturing these different kinds of roasted precursors into lithium-ion cells to make a comparison with conventional precursors.

Litiumioniakut ovat tämän päivän vallitseva teknologia uudelleen ladattavissa akuissa. Niiden sähkökemiallinen suorituskyky ja hinta riippuvat suuresti katodiaktiivimateriaalin ominaisuuksista ja synteesistä, mikä on motivoinut jatkuvaa kehitystä parempien materiaalien ja synteesimenetelmien löytämiseksi. Katodiaktiivimateriaalit valmistetaan kalsinoimalla niiden esiastetta, eli prekursoria, sekoitettuna litiumlähteen kanssa. Prekursorin ominaisuudet vaikuttavat kalsinointiprosessiin ja ensisijaisesti määrittävät lopullisen katodin ominaisuudet. Nikkeli-mangaani-kobolttihydroksidit ovat yleinen ja kaupallistettu prekursorityyppi, jotka valmistetaan tavallisesti saostamalla, suodattamalla ja kuivaamalla edeltäen kalsinointia. Ylimääräinen esikuumennusprosessi, roustaus, prekursorin rakenteen muokkaamiseksi ennen kalsinointia on herättänyt kiinnostusta ja aikaisempaa tutkimusta.

Roustauksen vaikutuksia korkeanikkelisen NMC(OH)2 prekursorin kristallifaasiin tutkittiin lämmittämällä prekursoria 150–800 ℃ lämpötilassa typpi- tai ilma-atmosfäärissä. Ex- ja in-situ XRD-tulosten mukaan NMC(OH)2 (kuusikulmainen, P3 ̅m1) muuttui pääasialliselta faasiltaan NMCO (kuutio, Fm3 ̅m) oksidiksi 250 ℃ typessä ja 275 ℃ ilmassa. Sekä hydroksidi- että oksidifaasi esiintyivät 175–200 ℃ typessä ja 250 ℃ ilmassa. Faasimuutos tapahtui lämpöhajoamisen kautta, jossa vesi vapautui hydroksidiprekursorin rakenteesta. Jatkotutkimus voisi keskittyä näiden roustattujen prekursorien kalsinointiin ja valmistukseen litiumionikennoiksi sekä verrata niitä tavallisiin prekursoreihin.