مواد و فناوری‌های پیشرفته

فصلنامه

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و دامنه ها

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

اطلاعات آماری نشریه

سنتز پیش‌ماده هیدروکسیدی Ni0.8Mn0.1Co0.1(OH)2 و مدل‌سازی اثر pH بر سرعت جوانه‌زنی ذرات

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرچ، ایران

2 استادیار، پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

3 دانشیار، پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

چکیده

مواد کاتدی اکسیدی لایه‌ای غنی از نیکل LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM) به‌دلیل چگالی انرژی و ظرفیت بالا به‌طور فزاینده‌ای در صنعت خودروهای الکتریکی مورد توجه قرار دارند. با وجود این، با افزایش مقدار نیکل،  واکنش شیمیایی لایه سطحی و اختلاط کاتیونی Li+/Ni2+افزایش و پایداری ساختاری و حرارتی ماده کاتدی کاهش می‌یابد. راهبرد تک‌کریستالیزاسیون ذرات می‌تواند پایداری ساختاری و عملکرد الکتروشیمیایی مواد کاتدی را بهبود بخشد، ولی سازوکار آن کاملاً شناخته‌شده نیست. در این پژوهش، با ارائه مدلی محاسباتی، نشان می‌دهیم که سرعت جوانه‌زنی ذرات هیدروکسیدی با کاهش pH و کنترل نسبت فوق‌اشباع کاهش می‌یابد و درنتیجه تعداد جوانه‌های تشکیل‌شده کم می‌شود. براساس نتایج این مدل، تعداد جوانه‌های هیدروکسیدی تشکیل‌شده در پایان سنتز هم‌رسوبی در pH ۵/۱۱، 11 و۵/۱۰ به‌ترتیب ۷۳/۵، ۳/۴ و ۲۷/۲ برابر تعداد جوانه‌های تشکیل‌شده در سنتز هم‌رسوبی در pH 10 است. لذا، با کاهش مقدار pH در حین فرایند سنتز از ۵/۱۱ به 10، به ریزذرات تولیدشده در سیستم اجازه داده می‌شود تا به‌طور کامل به کریستال‌های بزرگ‌تر تبدیل شوند و به‌سمت تک‌کریستال شدن تمایل یابند و مشکلات فصل مشترک کاتد/الکترولیت در آن‌ها کاهش یابد. نتایج حاصل از این مدل می‌تواند نتایج تجربی پژوهش‌هایی را که مواد کاتدی تک‌کریستال سنتز کرده‌اند توجیه کند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Synthesis of Hydroxide Precursor Ni0.8Mn0.1Co0.1(OH)2 and Modeling the Effect of Ph on the Rate of Nucleation of Particles

نویسندگان [English]

  • Solmaz Amirshekari 1
  • Reza Riahifar 2
  • Babak Raissi Dehkordi 3
  • Maziar Sahba Yaghmaee 2

1 Ph.D. Student, Department of Nano-Technology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.

2 Assistant Professor, Department of Nano-Technology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center , Karaj, Iran.

3 Associate Professor, Department of Nano-Technology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.

چکیده [English]

Nickel-rich layered oxide cathode materials with the chemical formula of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM) are increasingly utilized in the electric vehicle industry owing to their high energy density and high capacity. Although increasing the nickel concentration would enhance the chemical reaction between the surface layer and Li+/Ni2+ cationic mixing, the structural and thermal stability of the cathode material would be degraded. The single crystallization strategy of the particles can improve the structural stability and electrochemical performance of the cathode materials; however, their mechanism is not well understood yet. In this research, a computational model was proposed to show that by reducing the pH and controlling the amount of supersaturation, the nucleation rate of hydroxide particles and consequently the number of formed nuclei would decrease. Based on the results of this model, the numbers of hydroxide nuclei formed at the end of co-precipitation synthesis at pH 11.5, 11, and 10.5 were, respectively, 5.73, 4.3, and 2.27 times the number of nuclei formed in co-precipitation synthesis at pH 10. According to the observations, by reducing the pH during the synthesis process from 11.5 to 10, the fine particles produced in the system will be completely transformed into larger crystals, thus tending to become single crystals. As a result, the problems of the cathode/electrolyte intermediate layer will be minimized. The results of this model can justify the experimental results obtained by other researchers who synthesized single-crystal cathode materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Co-precipitation
  • NCM
  • Single Crystal Cathode
  • Computational Model
  • Lithium-Ion Battery
مراجع
  1. Wu, K., Wang, F., et al., "Effect of Precursor and Synthesis Temperature on the Structural and Electrochemical Properties of Li(Ni5Co0.2Mn0.3)O2", Electrochimica Acta, Vol. 75, (2012), 393–398. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.05.035
  2. Babrzade, A., Riahifar, R., Raissi, B., Ghorbanzade, M., "Synthesis and Characterization of LiNi5Co0.2Mn0.3O2 as a Cathode Material for Lithium-Ion Batteries and Investigating the Effect of Calcination Temperature on Electrochemical Performance of Cathode", Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol. 9, No. 1, (2020), 67-76. https://doi.org/10.30501/jamt.2020.105770
  3. Ghorbanzadeh, M., Hadavi, M., Riahifar, R., Mohammadi Rahvard, M., Badrnezhad, R., "Effect of Calcination Temperature and Fuel to Oxidant Ratio for Synthesis of LiNi5Mn0.3Co0.2 Cathode Powder for Li-ion Battery via Solution Combustion Method", Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol. 6, No. 2, (2017), 25-33. https://doi.org/10.30501/jamt.2017.70360
  4. Sun, H. H., Choi, W., Lee, J. K., Oh, I. H., and Jung, H. G., "Control of Electrochemical Properties of Nickel-Rich Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries by Variation of the Manganese to Cobalt Ratio", Journal of Power Sources, Vol. 275, (2015), 877–883. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.11.075
  5. He, , Ruan, Z., Teng, X., and Zhu, Y., "Facile Synthesis and Electrochemical Properties of Spherical LiNi0.85−xCo0.15AlxO2 with Sodium Aluminate via Co-Precipitation", Materials Research Bulletin, Vol. 90, (2017),131–137. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2017.01.039
  6. Batteries News, (2021). Available at: https://batteriesnews.com/global-lithium-ion-battery-market-size-94-billion-2025
  7. Feng, Z. Barai, P., et al., "In Situ Monitoring of the Growth of Nickel, Manganese, and Cobalt Hydroxide Precursors during Co-Precipitation Synthesis of Li-Ion Cathode Materials", Journal of The Electrochemical Society, Vol. 165, No. 13, (2018), A3077–A3083. https://doi.org/10.1149/2.0511813jes
  8. Shin, Y. H., Feridun, O. K., Krumdick, G. "Scaling Up High-Energy Cathode Materials for Electric Vehicles". http://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/scaling-up-high-energy-cathode-materials.html (accessed 03/12/2019)
  9. Yang, Sh., Wang, X., Yang, X., et al., "Influence of Preparation Method on Structure, Morphology, and Electrochemical Performance of Spherical Li[Ni5Mn0.3Co0.2]O2", Journal of Solid State Electrochemistry, Vol. 16, (2012), 2823–2836. https://doi.org/10.1007/s10008-012-1712-9
  10. Zhang, H., Cen, T., Tian, Y., Zhang, X., "Synthesis of High-Performance Single-Crystal LiNi8Co0.1Mn0.1O2 Cathode Materials by Controlling Solution Super-Saturation", Journal of Power Sources, Vol. 532, (2022), 231037. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231037
  11. Zhang, S., Deng, C., Fu, B. L., Yang, S. Y., Ma, L., "Synthetic Optimization of Spherical Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 Prepared by A Carbonate Co-Precipitation Method", Powder Technology, Vol. 198, No. 3, (2010), 373–380. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.12.002
  12. Van Bommel, A., Dahn, J. R., "Analysis of the Growth Mechanism of Coprecipitated Spherical and Dense Nickel, Manganese, and Cobalt-Containing Hydroxides in the Presence of Aqueous Ammonia", Chemistry of Materials, Vol. 21, No. 8, (2009), 1500–1503. https://doi.org/10.1021/cm803144d
  13. Han, Y., Shan, X., Zhu, G., Wang, Y., Qu, Q., and Zheng, H., "Hierarchically Assembled LiNi8Co0.1Mn0.1O2 Secondary Particles with High Exposure of {010} Plane Synthesized via Co-Precipitation Method", Electrochimica Acta, Vol. 329, (2020). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135057.
  14. Barai, P., Feng, Z., Kondo, H., Srinivasan, V., "Multiscale Computational Model for Particle Size Evolution during Co-Precipitation of Li-Ion Battery Cathode Precursors", The Journal of Physical Chemistry B, Vol. 123, No. 15, (2019), 3291–3303. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b12004
  15. Liu, , Yang, X., Yang, J., Li, G., Guo, Y., and Xue, C., "Modelling of Turbulent Shear Controllable Co-Precipitation Synthesis of Lithium-Ion Battery Cathode Precursor Micro-Particles in A Taylor-Couette Flow Reactor with Variable Configurations of Inner Cylinder",Chemical Engineering Journal, Vol. 411, (2021). https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128571
  16. Shiea, , Querio, A., Buffo, A., Boccardo, G., and Marchisio, D., "CFD-PBE Modeling of Continuous Ni-Mn-Co Hydroxide Co-Precipitation for Li-Ion Batteries", Chemical Engineering Research and Design, Vol. 177, (2022), 461–472. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.11.008
  17. Li, H., Li, J., Ma, X., Dahn, J. R., "Synthesis of Single Crystal LiNi6Mn0.2Co0.2O2 with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries", Journal of The Electrochemical Society, Vol. 165, No. 5, (2018), A1038-A1045. https://doi.org/10.1149/2.0951805jes
  18. Mullin, W., Crystallization, 4th Ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, (2001). https://doi.org/10.1021/op0101005
  19. Dubrovskii, G., Nucleation Theory and Growth of Nanostructures, Springer, Berlin, (2014). https://doi.org/10.1007/978-3-642-39660-1
  20. Hua, W., Liu, W., Chen, M., Indris, S., Zheng, Z., Guo, X., Bruns, M., Wu, T. H., Chen, Y., Zhong, B., Chou, S., Kang, Y. M., and Ehrenberg, H., "Unravelling the Growth Mechanism of Hierarchically Structured Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2 and Their Application as Precursors for High-Power Cathode Materials", Electrochimica Acta, Vol. 232, (2017), 123–131. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.02.105

 

 

 

 

مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 12، شماره 2
شهریور 1402
صفحه 75-90
فایل ها
سابقه مقاله
  • تاریخ دریافت: 29 تیر 1401
  • تاریخ بازنگری: 21 شهریور 1401
  • تاریخ پذیرش: 22 شهریور 1401
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار