Development and characterization of mid-nickel layered oxide cathode applying niobium as a doping element for lithium-ion batteries

Abstract

A tese possui como objetivo de contribuir e disseminar informações úteis para o desenvolvimento de catodos à base de Ni para baterias de íon-lítio. Para atingir esse propósito, o primeiro capítulo apresentou uma abrangente revisão de literatura sobre o as etapas de desenvolvimento de catodos para baterias. Uma discussão de todos os aspectos de síntese e caracterizações in situ, ex-situ e in-operando de materiais catódicos foi realizada. Além disso, o capítulo incluiu as principais tendências e desafios encontrados na fase de pesquisa e desenvolvimento do catodo NMC. A principal classe de catodos de alta energia, acompanhada de resultados científicos publicados em periódicos de alto impacto também foi descrita ao longo do capítulo. Por fim, conceitos eletroquímicos, métodos de montagem de células e aplicação de técnicas de caracterização eletroquímica também foram discutidos. O segundo capítulo apresentou a síntese do material LiNi0,55Mn0,25Co0,20O2 dopado com Nb pelo método solvotermal seguido da reação no estado sólido. Além disso, os efeitos do nióbio na microestrutura e no desempenho eletroquímico do catodo foram investigados. Os resultados mostraram que os parâmetros da rede estrutural se expandiram devido ao maior raio iônico do dopante. O grau de mistura de cátions Li+/Ni2+ foi reduzido com a introdução de Nb, especialmente para os cátodos Nb0,5, Nb1,0 e Nb1,5. Verificou-se que a dopagem com Nb potencializou a atividade eletroquímica do material LiNi0,55Mn0,25Co0,20O2, aumentando sua capacidade de descarga inicial para 169,61 mAhg-1 quando 1% de Nb foi utilizado como dopante em contraste com a capacidade de 149,45 mAhg-1 apresentada pelo o material não dopado. O material 1,0Nb-NCM modificado apresentou excelente ciclagem à taxa de 1 C (2,8– 4,3 V) com uma retenção de capacidade de 92,7% após 100 ciclos. Estes resultados sugeriram que o teor otimizado de Nb possui um efeito benéfico na estrutura do catodo, melhorando o desempenho dos catodos médio Ni ao longo de sucessivos ciclos de carga/descarga.

Palavras-chave: Eletroquímica; Baterias de íon-lítio; Catodo de óxido de níquel em camadas; Síntese solvotermal; Catodos dopados com nióbio.

The thesis aims to contribute and spread helpful information for the development of Ni- based cathodes for lithium-ion batteries. To achieve this purpose, the first chapter presented a comprehensive literature review of the development stages of Ni-based cathode materials. All aspects of the concepts of synthesis and in situ, ex-situ, and in-operando characterization of cathodic materials were discussed. Additionally, the chapter includes the main trends and challenges in the research and development stage of NMC cathode. The main class of high- energy cathodes, accompanied by scientific results published in high-impact journals was described throughout the chapter. Finally, electrochemical fundamentals, cell assembly methods, and application of electrochemical characterization techniques were also described. The second chapter presented the synthesis of Nb-doped LiNi0.55Mn0.25Co0.20O2 (NMC) material by solvothermal method followed by solid-state reaction. In addition, the niobium effects on the microstructure and electrochemical performance of the cathode were analyzed. The results showed that the structural lattice parameters expanded due to the larger ionic radius of the dopant. The Li+ /Ni2+ cation mixing degree was also reduced with the Nb introduction, especially for Nb0.5, Nb1.0, and Nb1.5 cathodes. It was found that Nb doping enhanced the electrochemical activity of LiNi0.55Mn0.25Co0.20O2, increasing its initial discharge capacity to 169.61 mAhg-1 when 1% of Nb was used as a dopant in contrast to the capacity of 149.45 mAhg- presented by the pristine material. The modified 1.0Nb-NCM material shows remarkable cycling at the rate of 1 C (2.8–4.3 V) with a capacity retention of 92.7% after 100 cycles. These results suggested that the optimized content of Nb doping has a beneficial effect on the cathode structure, improving the performance of Ni-mid cathodes over successive charge/discharge cycles.

Keywords: Electrochemistry; Lithium-ion batteries; Nickel layered oxide cathode; Solvothermal synthesis; Niobium-doped cathodes.