Coating Strategies of Ni-rich Layered Cathode in LIBs

doi:10.7503/cjcu20200489

Abstract

Abstract:

With the exhaustion of traditional energy resources and the emergence of environmental problems， lithium ion battery has gradually become a widely used energy storage system due to its higher volume/weight energy density， longer service life， lower self-discharge rate and other advantages. Compared with the traditional cathode such as LiCoO₂， LiFePO₄etc， Nickel-rich layered cathode Li［Ni_1-_x_-_yCo_xMn_y］O₂（NCM） has become the most preferred cathode materials for due to its advantages of high voltage and high capacity. Although NCM cathode material has the advantages mentioned above， it still faces the problems of cycle stability， rate capability and safety issues before further practical application. These performance deficiencies come from the unstable crystal structure of the NCM material， the side reaction on the positive electrode-electrolyte interface， the high interface resistance and so on. To solve these problems， a lot of work has been done to optimize the electrochemical properties of nickel-rich cathode， which is almost studied around the electrode-electrolyte interface. In this review， we summarized the degradation mechanism of capacity battery performance with NCM cathode， and the optimizing strategy of NCM cathode. And then， main coating strategies including electrochemical inactive coating， li-reactive coating， lithium-ion conductive coating are discussed. On this basis， we summarized the ideas and effects of various surface coating strategies， and finally proposed the prospect about the development of NCM cathode materials.

Key words: Lithium-ion battery, Nickel-rich layered cathode material, Surface coating, Solid-liquid interface

CLC Number:

O646

TrendMD:

WANG Yimeng, LIU Kai, WANG Baoguo. Coating Strategies of Ni-rich Layered Cathode in LIBs[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1514.

Figures/Tables 18

References 73

1	John B. G.， Youngsik K.， Chem. Mater， 2010， 132（35）， 1168—1175
2	Xu K.， Chem. Rev.， 2014， 114（23）， 11503—11618
3	Ohzuku T.， Ueda A.， J. Electrochem. Soc.， 1993， 110， 4—9
4	Rougier A.， Gravereau P.， Delmas C.， J. Electrochem. Soc.， 1996， 402， 77—83
5	Zhan C.， Chen W.， Energy Environ. Sci.， 2018. 54， 313—321
6	Harper G.， Sommerville R.， Kendrick E.， Nature， 2019， 575， 75—86
7	David L.， Mohanty D.， Geng L.， Ruther R. E.， Sefat A. S.， Chem. Electro. Chem.， 2019， 6， 5571—5580
8	Liu Z.， Yu A.， Lee J.， J. Power Sources， 1999， 81， 416—419
9	Ohzuku T.， Makimura Y.， Chem. Lett.， 2001， 1（7）， 642—643
10	Kim M. H.， Shin H. S.， Shin D.， Sun Y. K.， J. Power Sources， 2006， 159， 1328—1333
11	Maleki Kheimeh Sari H.， Li X.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9， 1901597
12	Choi J.， Manthiram A.， J. Electrochem. Soc.， 2016， 327， 145—150
13	Wang X.， Ding Y. L.， Deng Y. P.， Chen Z.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10， 1903864
14	Noh H. J.， Youn S.， Yoon C. S.， Sun Y. K.， J. Power Sources， 2013， 233， 121—130
15	Ma L.， Nie M.， Xia J.， Dahn J. R.， J. Power Sources， 2016， 327， 145—150
16	Eum D.， Kim B.， Kim S. J.， Park H.， Wu J.， Cho S. P.， Yoon G.， Lee M. H.， Jung S. K.， Yang W.， Seong W. M.， Ku K.， Tamwattana O.， Park S. K.， Hwang I.， Kang K.， Nat. Mater.， 2020， 19， 419—427
17	Li Y.， Hou X. H.， Zhou Y.， Han W. Q.， Liang C.， Wu X.， Wang S. F.， Energy Technol.， 2018， 6， 391—396
18	Bak S. M.， Hu E.， Zhou Y.， Yu X.， Senanayake S. D.， Cho S. J.， Kim K. B.， Chung K. Y.， Yang X. Q.， Nam K. W.， ACS Appl. Mater. Interface， 2014， 6， 22594—22601
19	Lin Q.， Guan W.， Meng J.， Huang W.， Wei X.， Zeng Y.， Li J.， Zhang Z.， Nano Energy， 2018， 54， 313—321
20	Kondrakov A. O.， Schmidt A.， Xu J.， Geßwein H.， Mönig R.， Hartmann P.， Sommer H.， Brezesinski T.， Janek J.， J. Phys. Chem.， 2017， 121， 3286—3294
21	Chen S.， He T.， Su Y.， Lu Y.， Bao L.， Chen L.， Zhang Q.， Wang J.， Chen R.， Wu F.， ACS Appl. Mater. Interface， 2017， 9， 29732—29743
22	Yan P.， Zheng J.， Zheng J.， Wang Z.， Teng G.， Kuppan S.， Xiao J.， Chen G.， Pan F.， Zhang J. G.， Wang C. M.， Adv. Energy Mater.， 2016， 6， 1502455
23	Kim H.， Lee S.， Cho H.， Kim J.， Lee J.， Park S.， Joo S. H.， Kim S. H.， Cho Y. G.， Song H. K.， Kwak S. K.， Cho J.， Adv. Mater.， 2016， 28， 4705—4712
24	Li W.， Dolocan A.， Oh P.， Nat. Comm.， 2017， 8（1）， 33546—33552
25	Aurbach D.， Markovsky B.， Salitra G.， Markevich E.， Talyossef Y.， Koltypin M.， Nazar L.， Ellis B.， Kovacheva D.， J. Power Sources， 2007， 165， 491—499
26	Nicholas P.， Zhongyi L.， Peng L.， J. Phys. Chem. C， 2013， 117， 15947—15957
27	Zhu Z. Q.， Tang Y. X.， Zhang Y.， Wang R.， Zhang W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57， 3656—3660
28	Biasi L.， Schwarz B.， Brezesinski T.， Hartmann P.， Janek J.， Adv. Mater.， 2019， 31， 1900985
29	Yoon C.， Jun D.， Myung S.， ACS Energy Lett.， 2017， 2（5）， 1150—1155
30	Renfrew S. E.， McCloskey B. D.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 17853—17860
31	Salitra G.， Mccloskey D.， RSC Adv.， 2016， 6（23）， 19233—19237
32	Woo S.， Yoon C.， Amine K.， J. Electrochem. Soc.， 2007，（3）， 447—454
33	Myung S. T.， Maglia F.， Park K. J.， Yoon C. S.， Lamp P.， Kim S. J.， Sun Y. K.， ACS Energy Lett.， 2016， 2， 196—223
34	Han B.， Key B.， Lapidus S.， ACS Appl. Mater. Interface， 2017， 9（47）， 41291—41302
35	Hu G.， Zhang M.， Wu L.， Peng Z.， Du K.， Cao Y.， ACS Appl. Mater. Interface， 2016， 8， 33546—33552
36	Kraytsberg A.， Drezner H.， Auinat M.， Shapira A.， Solomatin N.， Axmann P.， Wohlfahrt M.， Ein⁃Eli Y.， Chem. Nano. Mat.， 2015， 1， 577—585
37	Liu B.， Zhang Z.， Wan J.， Ionics， 2017， 23（6）， 1365—1374
38	Woo S.， Yoon C.， Amine K.， J. Electrochem. Soc.， 2009，（6）， 224—232
39	Choi J.， Kim J.， Lee K. T.， Lim J.， Lee J.， Yun Y. S.， Adv. Mater. Interfaces， 2016， 3， 1600784
40	Min K.， Jung C.， Ko D. S.， Kim K.， Jang J.， Park K.， Cho E.， ACS Appl. Mater. Interface， 2018， 10， 20599—20610
41	Zhuang G. V.， Chen G.， Shim J.， Song X.， Ross P. N.， Richardson T. J.， J. Power Sources， 2004， 134， 293—297
42	Xiong X.， Wang Z.， Yue P.， Guo H.， Wu F.， Wang J.， Li X.， J. Power Sources， 2013， 222， 318—325
43	Xiong X.， Wang Z.， Guo C.， Wu F.， Guo H.， Li X.， J. Power. Sources， 2014， 245， 183—193
44	Liu S.， Wu H.， Huang L.， Xiang M.， Liu H.， Zhang Y.， J. Alloys. Compd.， 2016， 674， 447—454
45	Ban L.， Yin Y.， Zhuang W.， Electrochemical Acta， 2015， 180， 218—226
46	Lee W.， Kim M. S.， Jeong J. H.， Kim D. H.， J. Power. Sources， 2016， 245， 137—145
47	Xie J.， Sendek A.， Cubuk D.， ACS Nano， 2017， 11（7）， 7019
48	Li L.， Xu M.， Yao Q.， Chen Z.， Song L.， Zhang Z.， Gao C.， Wang P.， Yu Z.， Lai Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8， 30879—30889
49	Hou Q.， Cao G.， Wang P.， Zhao D.， Cui X.， Li S.， Li C.， J. Alloys. Compd.， 2018， 747， 796—802
50	Cho W.， Kim S. ， Lee K W.， Electrochimica. Acta， 2016， 402， 77—83
51	Chen Z.， Kim G. T.， Guang Y.， Bresser D.， Diemant T.， Huang Y.， Copley M.， Behm R. J.， Passerini S.， Shen Z.， J. Power Sources， 2018， 402， 263—271
52	Park K. S.， Schougaard S. B.， Goodenough J. B.， Adv. Mater.， 2007， 19， 848—851
53	Song L. B.， Tian F. L.， Xue Z. L.， J. Electron. Mater.， 2018， 9（6），455—462
54	Cao Y.， Qi X.， Hu K.， Wang Y.， Gan Z.， Li Y.， Hu G.， Peng Z.， Du K.， ACS Appl. Mater. Interface， 2018， 10， 18270—18280
55	Xiong X.， Ding D.， Wang Z.， J. Solid State Electron.， 2014， 18（9）， 2619—2624
56	Sun Z.， Li Z.， Gao L.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（6）， 1802946
57	Ju S. H.， Kang I. S.， Lee Y. S.， Shin W. K.， Kim S.， Shin K.， Kim D. W.， ACS Appl. Mater. Interface， 2014， 6， 2546—2552
58	Doo S. W.， Lee S.， Kim H.， Choi J. H.， Lee K. T.， ACS Appl. Energy Mater.， 2019， 2， 6246—6253
59	Chen S.， He T.， Chen L.， Lu Y.， Wu F.， ACS Appl. Mater. Interface， 2017， 9， 29732—29743
60	Zhang J. P.， Xue L.， Li Y.， Lei T.， Deng S.， Chen Y.， Zhu J.， Guo J.， Chem. Electro. Chem.， 2019， 6， 3125—3131
61	Sun Y. K.， Chen Z.， Lee D. J.， Nat. Mater.， 2012， 11， 942—947
62	Xu G. L.， Liu Q.， Lau K. K. S.， Liu Y.， Liu X.， Gao H.， Zhou X.， Zhuang M.， Ren Y.， Li J.， Shao M.， Ouyang M.， Pan F.， Chen Z.， Amine K.， Chen G.， Nat. Energy， 2019， 4， 484—494
63	Yan P.， Zheng J.， Liu J.， Wang B.， Cheng X.， Zhang Y.， Sun X.， Wang C.， Zhang J. G.， Nat. Energy， 2018， 3， 600—605
64	Zhang M.， Zhao H.， Tan M.， Liu J.， Hu Y.， Liu S.， Shu X.， Li H.， Ran Q.， Cai J.， Liu X.， J. Alloys. Compd.， 2019， 774， 82—92
65	Wu H.， Pang X.， Bi J.， Wang L.， Li Z.， Guo L.， Liu H.， Meng Q.， Jiang H.， Liu C.， Wang L.， J. Alloys. Compd.， 2020， 829， 154571
66	Gan Q.， Qin N.， Zhu Y.， ACS Appl. Mater. Interface， 2019， 11， 12594—12604
67	Lee S. W.， Kim M. S.， Jeong J. H.， Kim D. H.， Chung K. Y.， Roh K. C.， Kim K. B.， J. Power. Sources， 2017， 360， 206—214
68	Kumar A.， Nazzario R.， Torres⁃Castro L.， Pena⁃Duarte A.， Tomar M. S.， Inter. J. Hydrogen Energy， 2015， 40， 4931—4935
69	Dai S.， Yuan M.， Wang L.， Luo L.， Chen Q.， Xie T.， Li Y.， Yang Y.， Ceramics Inter.， 2019， 45， 674—680
70	Dorai A. K.， Subramanian S.， Hellar N.， Leiro J.， Mater. Chem. Phys.， 2014， 143， 765—772
71	Song G.， Kim B.， Park J.， J. Electro.， 2012， 29（2）， 163—169
72	Huang J.， Fang X.， Wu Y.， J. Electro. Chem.， 2018， 45， 359—367
73	Zhu J.， Li Y.， Xue L.， Chen Y.， Lei T.， Deng S.， Cao G.， J. Alloys. Compd.， 2019， 773， 112—120

Electrode material	Voltage range/V	Rate	Cycle	Specific capacity/(mA·h·g^-1)	Capacity retention(%)	Ref.
Li?Zr?O@NCM811	3.0—4.3	0.5C	50	175	94.3	[67]
MgO@NCM622	3.0—4.3	1C	100	130	82	[68]
Al₂O₃@NCM523	3.0—4.5	1C	100	140	85	[23]
Y₂O₃@NCM811	3.0—4.3	1C	100	136	91.4	[69]
Al?doped ZnO@NCM523	3.5—4.5	1C	200	134	90.2	[35]
YF₃@NCM111	2.8—4.3	5C	100	125	93	[37]
AlF₃@NCM811	3.0—4.3	0.5C	60	—	93	[32]
CeF₃@NCM111	2.8—4.5	0.5C	100	140	88	[70]
Na₂SO₄@NCM9	2.8—4.3	5C	100	—	85.2	[39]
Li_xBO_yF_z@NCM622	42.8—4.3	1C	50	174	97.4	[40]

Electrode material	Voltage range/V	Rate	Cycle	Specific capacity/(mA·h·g^-1)	Capacity retention(%)	Ref.
Li?Zr?O@NCM811	3.0—4.3	0.5C	50	175	94.3	[67]
MgO@NCM622	3.0—4.3	1C	100	130	82	[68]
Al₂O₃@NCM523	3.0—4.5	1C	100	140	85	[23]
Y₂O₃@NCM811	3.0—4.3	1C	100	136	91.4	[69]
Al?doped ZnO@NCM523	3.5—4.5	1C	200	134	90.2	[35]
YF₃@NCM111	2.8—4.3	5C	100	125	93	[37]
AlF₃@NCM811	3.0—4.3	0.5C	60	—	93	[32]
CeF₃@NCM111	2.8—4.5	0.5C	100	140	88	[70]
Na₂SO₄@NCM9	2.8—4.3	5C	100	—	85.2	[39]
Li_xBO_yF_z@NCM622	42.8—4.3	1C	50	174	97.4	[40]

Electrode material	Voltage range/V	Rate	Rate performance	Ref.
Li₂Si₂O₅@NCM622	2.75—4.5	0.1C, 1C, 2C, 3C, 5C, 10C	213, 185, 170, 148, 122	[44]
Li₂SO₄@Li_1.2[Ni_0.54Co_0.13Mn_0.13]O₂	2.0—4.8	0.2C, 0.5C, 1C, 3C	245, 234, 223, 176	[43]
LiF@NCM811	2.8—4.3	0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C	204, 190, 182, 171, 148, 135	[71]
MoO₃@NCM811	2.8—4.3	0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C	204, 196, 188, 182, 170, 160, 131	[72]

Electrode material	Voltage range/V	Rate	Rate performance	Ref.
Li₂Si₂O₅@NCM622	2.75—4.5	0.1C, 1C, 2C, 3C, 5C, 10C	213, 185, 170, 148, 122	[44]
Li₂SO₄@Li_1.2[Ni_0.54Co_0.13Mn_0.13]O₂	2.0—4.8	0.2C, 0.5C, 1C, 3C	245, 234, 223, 176	[43]
LiF@NCM811	2.8—4.3	0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C	204, 190, 182, 171, 148, 135	[71]
MoO₃@NCM811	2.8—4.3	0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C	204, 196, 188, 182, 170, 160, 131	[72]

Electrode material	Li⁺ diffusion conductivity, D⁺_Li/(cm²·s^-1)	Voltage range/V	Rate/C	Rate performance	Ref.
Li₂SiO₃@NCM622	1.49×10^-10	2.8—4.4	0.2, 0.5, 1, 2, 5	196, 195, 191, 168, 158	[48]
LATO@NCM811	5.40×10^-11	3.0—4.6	0.5, 1, 2, 3, 6	172, 161, 140, 130, 100	[49]
LaPO₄@NCM811	1.42×10^-11	3.0—4.3	0.1, 1, 2, 5, 10	197, 179, 166, 144, 124	[73]
PEDOT?PEG@NCM622	4.20×10^-3	2.8—4.5	0.1, 0.5, 1, 2, 5	185, 183, 179, 175, 169	[57]
PANI?PEG@NCM811	2.85×10^-2	2.8—4.3	0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10	200, 195, 186, 177, 167, 156	[54]
PANI?PVP@NCM811	—	2.8—4.3	20, 40, 100, 200, 400, 1000	225, 218, 208, 190, 180, 150	[66]
PPy?LPO@NVM811	2.40×10^-10	2.8—4.5	0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10	205, 204, 198, 190, 177, 159	[59]