富镍层状（NCM、NCA 和 NCMA）正极被认为是为下一代电动汽车提供动力的主要候选材料。然而，不可避免的容量衰减正困扰着它们的发展，更重要的是单晶（S-NCM）和多晶（P-NCM）正极的容量衰减机制不尽相同，目前却鲜为人知。
韩国汉阳大学Chong S. Yoon、Yang-Kook Sun等人在这项研究中，对具有各种富镍成分的单晶（S-NCM）和多晶（P-NCM）正极的基本特性进行了综合评估。
系统地研究了一系列粒径约为3 μm的富镍S-NCM正极（Ni含量为70%、80% 和90%），以将它们的特性和循环行为与传统P-NCM正极进行比较。
与循环过程中易受晶间微裂纹影响的P-NCM正极不同，S-NCM正极即使在深度充电状态或重复循环下也能抵抗机械断裂。然而，由于锂离子扩散途径有限，S-NCM正极的电化学性能在容量和循环稳定性方面不如P-NC正极。
S-NCM和P-NCM正极的电化学性能差异随着Ni含量的增加而增加。H2-H3相变峰被认为是富镍层状正极快速容量衰减的关键指标，随着循环的进行，其衰减程度不同，表明S-NCM和P-NCM正极的容量衰减机制不同。
P-NCM正极的快速容量衰减主要归因于微裂纹的形成，这些微裂纹允许电解液侵蚀，导致类似 NiO的岩盐相的积累。相比之下，由于S-NCM正极的锂离子扩散途径有限，在循环过程中锂离子浓度趋于空间不均匀，这种趋势因高倍率和Ni含量而加剧，导致单个正极粒子内两相共存。
原位XRD和TEM显示，带电的S-NCM90正极的结构不均匀性会引起不均匀的应力，从而造成结构缺陷，进而限制Li+的扩散动力学，最终导致电化学反应过程中的容量衰减。
图2 不同循环状态下S-NCM90和P-NCM90的形貌
Capacity Fading Mechanisms in Ni-Rich Single-Crystal NCM Cathodes. ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01089
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