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无钴富镍正极材料的火焰辅助喷雾热解合成与性能研究

  • 陈国徽 ,
  • 王君雷 ,
  • 李世龙 ,
  • 李金宇 ,
  • 徐运飞 ,
  • 王昆 ,
展开
  • 天津大学,先进内燃动力全国重点实验室,天津 300072
†通信作者:王 昆,E-mail:

作者简介:陈国徽(1999-),男,硕士研究生,主要从事火焰合成锂离子电池正极材料研究。王 昆(1982-),男,教授,博士生导师,主要从事发动机燃烧、化学反应动力学、火焰合成纳米材料、新能源转化与高效利用等研究。

收稿日期: 2023-12-12

  修回日期: 2024-01-10

基金资助

天津市研究生科研创新项目(2022BKY057)

Preparation and Performance of Cobalt-Free Nickel-Rich Cathode Materials Through Flame-Assisted Spray Pyrolysis

  • Guohui CHEN ,
  • Junlei WANG ,
  • Shilong LI ,
  • Jinyu LI ,
  • Yunfei XU ,
  • Kun WANG ,
Expand
  • State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Received date: 2023-12-12

  Revised date: 2024-01-10

Copyright

版权所有 © 《新能源进展》编辑部

摘要

锂离子电池富镍三元正极材料因其成本低、容量高的优势受到广泛关注,受限于钴的高毒性、低储量,富镍正极材料无钴化成为锂离子电池未来的发展趋势。传统液相法制备无钴富镍材料存在步骤繁琐、耗时长、副产物多等问题。火焰辅助喷雾热解(FASP)方法可一步合成正极材料,具有设备简单、耗时短、环境友好等优点。采用FASP方法制备LiNi0.8Mn0.2O2(NM82)无钴富镍正极材料,探究合成条件对NM82结构、形貌和电化学性能的影响。结果表明,FASP可一步合成NM82正极材料,且其在载气流速1.5 L/min、锂过量10%、退火温度800 ℃条件下的锂镍混排水平最低,放电比容量最高,在0.1 C倍率下达到180.2 mA∙h/g。

本文引用格式

陈国徽 , 王君雷 , 李世龙 , 李金宇 , 徐运飞 , 王昆 . 无钴富镍正极材料的火焰辅助喷雾热解合成与性能研究[J]. 新能源进展, 2024 , 12(3) : 260 -268 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2024.03.003

Abstract

Nickel-rich ternary cathode materials for lithium-ion batteries have received extensive attention due to their advantages of low cost and high capacity. Limited by the high toxicity and low reserves of cobalt, cobalt-free nickel-rich cathode materials are becoming the future development trend of lithium-ion batteries. The traditional liquid phase method for the preparation of cobalt-free nickel-rich materials has problems such as cumbersome steps, time-consuming, and many by-products. Flame-assisted spray pyrolysis (FASP) method can synthesize cathode materials in one step, which has the advantages of simple equipment, short time and environmental friendliness. In this study, LiNi0.8Mn0.2O2 (NM82) cobalt-free nickel-rich cathode material was prepared by the FASP method, and the effects of synthesis conditions on the structure, morphology and electrochemical properties of NM82 were investigated. The results show that FASP can synthesize NM82 cathode material in one step. Under the conditions of carrier gas flow rate of 1.5 L/min, lithium excess of 10 % and annealing temperature of 800 °C, NM82 has the lowest lithium-nickel mixing level and the highest discharge specific capacity, reaching 180.2 mA∙h/g at 0.1 C rate.

0 引言

锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命的优势,被广泛应用于动力电池和储能电池领域[1,2,3]。正极材料成本占锂离子电池总成本的三成以上,是降低电池成本的关键;同时,当前正极材料比容量(130 ~ 210 mA∙h/g)显著低于石墨负极材料比容量(370 ~ 400 mA∙h/g),是限制电池容量提升的主要原因[4,5]。为了提高放电容量并降低生产成本,研究者开发了富镍三元正极NCM系列(LiNi1-x-yCoxMnyO2,1-x-y ≥ 0.6)。其中,镍(Ni)元素的高电化学氧化还原活性提高了正极材料的能量密度;锰(Mn)元素提高了材料结构稳定性与平均放电电压(通常不参与电化学氧化还原反应);钴(Co)通过缓解过渡金属层之间的磁性作用降低了锂镍混排水平,并通过离域电子态的CoO6八面体结构增加了离子电导率,提高了正极材料的循环稳定性[6,7,8]。然而,钴毒性强、资源短缺、价格昂贵,以上因素严重限制了富镍三元锂离子电池的发展[7, 9-10]。近期研究表明,虽然钴可以抑制锂镍混排,但在高截止电压充放电循环过程中,富镍三元正极材料中钴和氧的氧化还原电位重叠会诱发氧释放,钴还会加剧循环过程中正极材料的晶格参数变化,导致晶间微裂纹、局部应变和不可逆相变,从而降低了材料的循环性能[11,12,13,14,15,16]。因此,开发无钴富镍正极材料(LiNi1-xMnxO2,1-x ≥ 0.6)以摆脱传统三元正极材料对钴元素的依赖,逐渐成为近年来的研究重点[6,17]
目前,研究者们已经开发了多种方法用于合成无钴富镍正极材料。ARYAL等[18]通过共沉淀法合成了粒度和形貌相似的镍锰(LiNi0.9Mn0.1O2)和镍钴(LiNi0.9Co0.1O2)正极材料。研究表明,前者具有更稳定的循环性能,而后者具有较高的初始放电比容量,但其循环寿命较差,这表明在不影响电化学性能的前提下,可以在富镍正极材料中去除钴,从而降低成本和毒性。ZHANG等[19]通过溶胶凝胶法分别在空气和氧气气氛下制备了LiNi0.9Mn0.1O2正极材料,发现在氧气气氛下合成的材料具有更好的倍率性能和循环性能。范凤松等[20]通过熔盐法制备了晶格生长较好、锂镍混排水平低的LiNi0.7Mn0.3O2,在0.2 C下首次放电比容量达176.2 mA∙h/g,循环50次后,比容量衰减为160 mA∙h/g。FU等[21]使用微波辅助共沉淀法合成了LiNi0.8Mn0.2O2,其在1 C下的首次放电比容量达175 mA∙h/g。上述方法均成功制备了无钴富镍LiNi1-xMnxO2(1-x ≥ 0.6)正极材料,并展现出良好的电化学性能。然而,以上方法所需的合成时间较长,或者包括洗涤、过滤和干燥等多个过程,使制备正极材料的时间成本和能耗水平居高不下,如表1所示。
Table 1 Comparison of synthesis time of LiNi1-xMnxO2 (1-x ≥ 0.6) by different methods

表1 不同方法合成LiNi1-xMnxO2(1-x ≥ 0.6)耗时比较

制备方法 正极材料 反应温度和时间 后处理过程 总耗时 文献
共沉淀法 LiNi0.7Mn0.3O2 500 ℃预烧结5 h 900 ℃退火15 h 20 h [34]
溶胶凝胶法 LiNi0.9Mn0.1O2 200 ℃分解4 h,500 ℃煅烧3 h 800 ℃退火5 h 12 h [19]
熔盐法 LiNi0.7Mn0.3O2 850 ℃反应8 h 洗涤、抽滤、干燥 > 8 h [20]
微波辅助法 LiNi0.8Mn0.2O2 550 ℃反应5 h 780 ℃退火12 h 17 h [21]
FASP LiNi0.8Mn0.2O2 燃烧过程毫秒级 800 ℃退火8 h 8 h 本文
火焰辅助喷雾热解(flame-assisted spray pyrolysis, FASP)是一种利用火焰作为热源分解前驱体液滴,进而合成纳米材料的方法,具有设备简单、合成过程直接、耗时短(毫秒级)、成本低、副产物少、易于工业放大生产等优点,目前已被广泛应用于LiCoO2[22]、LiMn2O4[23]、LiFePO4[24]和NCM[25]、NCA[26]等锂离子电池正极材料的合成。JANG等[27]采用火焰喷雾热解(flame spray pyrolysis, FSP)方法(前驱体溶剂提供热量大于50%[28])合成了初始粒径在10 ~ 35 nm范围内的球形LiCoO2颗粒,发现材料平均粒径随着在火焰中停留时间的延长而增大;载气流速影响前驱体进料速率与在火焰中停留时间,从而影响产物形貌与粒径大小,进而影响材料性能[29]。KIM等[30]通过FSP方法制备了LiNi0.5Mn1.5O4,发现锂过量20%时,材料具有较高的初始放电比容量和良好的循环性能。锂过量会影响层状正极材料晶体结构,从而影响其电化学性能[31]。ZHANG等[32]使用FASP方法合成了NCM811正极材料,发现富镍层状正极材料需要在合适温度下退火以形成层状结构并降低锂镍混排水平;退火温度影响材料的阳离子有序度和粒径大小[33]。以上研究展示了FASP方法制备锂电正极材料的可行性,但目前尚无其用于制备无钴富镍正极材料的相关报道。
本研究首次采用火焰辅助喷雾热解方法制备无钴富镍LiNi0.8Mn0.2O2(NM82)正极材料,探究不同的载气流速、锂过量及退火温度对NM82结构、形貌及电化学性能的影响。研究结果可为锂电池正极材料合成的新途径提供思路。

1 实验部分

1.1 材料制备

图1为FASP合成NM82工艺流程示意图。首先,按照8∶2的摩尔比例分别称取Ni(NO3)2∙6H2O(上海阿拉丁,AR,98%)、Mn(NO3)2∙4H2O(上海阿拉丁,98%),将其与不同摩尔比(5%、10%、15%、20%)锂过量的LiNO3(上海阿拉丁,AR,99%)溶解在去离子水中,配制成总金属盐浓度为1 mol/L的前驱体溶液,用磁力搅拌器在400 r/min的速度下搅拌混合以确保溶质充分溶解。其次,分别采用1、1.25、1.5 L/min氮气(流速分别为1.12、1.40、1.68 m/s)作为载气,将超声雾化后的前驱体液滴送入预热段(175 ℃),经蒸发、浓缩后进入同轴燃烧器(双侧进气),在以甲烷(0.25 L/min)作为燃料、氧气(1 L/min)作为氧化剂产生的火焰(在保持气体流量不变并采取保温措施的基础上,经理论计算温度约为1 965 ~ 2 343 ℃)中热解,生成的产物在高温火焰产生的热泳力与风机产生的负压下在惰性纤维膜上收集。随后,将载有产物的纤维膜置于60 ℃干燥箱中干燥,材料经研磨后放入管式炉中,在氧气气氛(0.3 L/min)下以5 ℃/min的升温速率由室温分别升至750、800、850 ℃,并保温8 h以确定最佳退火温度。退火结束后,将样品冷却至150 ℃后取出得到NM82。
Fig. 1 Process schematic diagram of FASP synthesis NM82

图1 FASP合成NM82工艺流程示意图

1.2 材料表征

采用X射线衍射仪(X-ray diffractometer, XRD)(荷兰,帕纳科,X'Pert Pro)测量材料物相结构,辐射源为Cu-Kα射线,扫描范围为10° ~ 90°,扫描步长为0.016 7°,使用GSAS Ⅱ 软件对XRD分析数据进行精修[35]以获得样品的晶格参数。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)(美国,FEI,Apreo S LoVac)观察材料表面形貌与元素分布,加速电压分别为5 kV和15 kV。

1.3 电化学性能测试

将LiNi0.8Mn0.2O2正极材料与导电剂Super P充分混合研磨,然后加入预先配制好的聚偏二氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶液,制成黏度适中的浆料,其中活性材料、导电剂与黏结剂配比为8∶1∶1。将制备好的浆料均匀涂敷在铝箔上,在120 ℃下真空干燥10 h。干燥后的极片经冲切和辊压后在氩气气氛手套箱中进行扣式电池的组装,极片作为正极,金属锂片为负极,电解液为1 mol/L的LiPF6溶解在碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯体积比为1∶1∶1的混合溶液,Celgard 2325微孔聚丙烯膜作为隔膜,组装成CR2032型扣式电池。
将组装好的扣式电池在CT3002A Land电池测试仪(武汉蓝电)上进行循环性能与倍率性能测试。在2.75 ~ 4.35 V范围内,以0.1 C(1 C = 170 mA∙h/g)电流密度活化后,再以1 C电流密度进行循环性能测试。在0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 C下各循环五次后,电流密度恢复至0.1 C进行倍率性能测试。

2 结果与讨论

2.1 不同合成条件下材料结构表征

图2显示了在不同合成条件下制备的NM82正极材料的XRD图谱,可以发现通过FASP方法制备的NM82均具有清晰的衍射峰,属于α-NaFeO2结构,无杂质相;(006)/(012)和(018)/(110)衍射峰均存在分裂情况,表明所有材料具有明显的层状结构[32,36]。在富镍正极材料的制备过程中,由于Ni2+ (0.69 Å) 和Li+(0.76 Å)离子半径相近,Ni2+ 易进入Li层造成锂镍混排。进入Li层的Ni2+ 位于(104)晶面,会使该晶面衍射峰增强,因此可以用(003)与(104)峰的强度比I(003)/I(104) 来反映锂镍混排水平[7,31]。结构参数通过GSAS Ⅱ软件[35]进行Rietveld精修,结果如表2所示。通过分析发现,随着载气流速增加,c/a值(反映材料的立方对称结构的偏离程度,晶胞参数c/a值大于4.9表明材料具有有序的层状结构[37,38])变大,而I(003)/I(104) 变小,表明载气流速的增加可能使FASP过程中颗粒在火焰中停留时间更短、火焰温度更低(经理论计算火焰温度由2 343 ℃降至1 965 ℃),抑制了火焰高温对层状相的破坏,减少了NM82合成过程中锂的挥发[39]。因此,在较高载气流速(1.5 L/min氮气)下制备的NM82具有最好的层状结构。
Fig. 2 XRD patterns of NM82 prepared by FASP under different synthesis conditions

图2 不同合成条件下FASP制备NM82的XRD图谱

Table 2 Lattice parameters of NM82 prepared by FASP under different conditions

表2 不同工况下FASP制备的NM82结构参数

合成条件(命名) a c c/a I(003)/I(104) 锂镍混排水平/%
1N2-1.2Li-800 ℃(NM82-1N2 2.870 9 14.193 5 4.943 9 1.23 4.57
1.25N2-1.2Li-800 ℃(NM82-1.25N2 2.872 1 14.210 6 4.947 8 1.21 5.08
1.5N2-1.2Li-800 ℃(NM82-1.5N2 2.867 2 14.193 3 4.950 2 1.14 5.32
1.5N2-1.15Li-800 ℃(NM82-1.15Li) 2.873 6 14.214 4 4.946 5 1.20 3.89
1.5N2-1.1Li-800 ℃(NM82-1.1Li) 2.871 6 14.190 9 4.941 8 1.20 3.50
1.5N2-1.05Li-800 ℃(NM82-1.05Li) 2.878 9 14.210 2 4.936 0 1.06 9.71
1.5N2-1.1Li-750 ℃(NM82-750℃) 2.876 2 14.199 6 4.936 9 1.10 8.30
1.5N2-1.1Li-850 ℃(NM82-850℃) 2.875 3 14.220 9 4.945 8 1.18 4.42
随着锂过量增加,I(003)/I(104) 值先升高后降低。当锂过量为10%时,NM82正极材料具有最低的锂镍混排水平(3.5%),造成这一现象的原因是当锂过量过少时,由于制备过程中锂的挥发导致更多锂空位产生,使Ni2+ 进入Li+ 层;当锂过量过多时,不仅提高了材料制备成本,而且会使更多Li+ 进入Ni2+ 层,二者均不同程度地提高了材料的锂镍混排水平。因此,选择合适的锂过量加入有利于获得较低的锂镍混排水平。
此外,在750 ℃下退火制备的NM82材料I(003)/I(104) 值较小,且(006)/(012)和(018)/(110)强度峰分裂不明显,表明较低的退火温度不利于降低锂镍混排水平和形成层状结构;在800 ℃和850 ℃下退火制备的NM82材料I(003)/I(104) 值接近1.2,锂镍混排水平相近,且(006)/(012)和(018)/(110)强度峰均明显分裂,表明在800 ℃和850 ℃退火温度下制备的NM82材料均具有较低的锂镍混排水平与较好的层状结构。综上所述,在1.5 L/min氮气流量、10%锂过量、800 ℃退火温度下制备的NM82材料具有较大的I(003)/I(104)值、最低的锂镍混排水平(3.50%),并且具有良好的层状结构。

2.2 不同合成条件下材料形貌表征

FASP过程中,载气流速影响颗粒在火焰中的停留时间,进而影响材料粒径与形貌。图3展示了不同载气流速条件下制备的NM82样品的SEM图。可以观察到,随着载气流速的增加,材料中球形颗粒数量明显增加,粒径减小,这有利于样品与电解液的接触,促进锂离子传输,从而提升放电容量。此外,相较于图3(a),图3(c)中颗粒表面存在较多的锂化合物纳米颗粒簇[32],表明高的载气流速有利于减少锂挥发。
Fig. 3 SEM images of NM82 samples under different carrier gas flow rates: (a, d) 1 L/min; (b, e) 1.25 L/min; (c, f) 1.5 L/min

图3 不同载气流速条件下NM82样品的SEM图:(a、d)1 L/min;(b、e)1.25 L/min;(c、f)1.5 L/min

图4为不同锂过量条件下制备的NM82样品在退火后的SEM形貌图。可以明显观察到随着锂过量的增加,样品表面锂化合物纳米颗粒簇增多,表明前驱体溶液中加入过多锂盐会提升FASP合成NM82材料表面残碱量,未反应的锂成分可能会以氧化物形式残留在样品表面,储存过程中Li2O外层易被空气中的水分和CO2污染,形成LiOH和Li2CO3。这些化合物在电池充放电过程中与电解液反应生成钝化层并生成CO2等气体,从而降低了材料的电化学性能和安全性能[40]
Fig. 4 SEM images of NM82 samples under different lithium excess conditions: (a, e) 1.05; (b, f) 1.1; (c, g) 1.15; (d, h) 1.2

图4 不同锂过量条件下NM82样品的SEM图:(a、e)1.05;(b、f)1.1;(c、g)1.15;(d、h)1.2

正极材料的形貌、结构与电化学性能受到退火温度的影响,选择合适的退火温度有利于降低锂镍混排水平、促进颗粒生长以及形成层状结构。图5为在不同退火温度条件下制备NM82的SEM图,可以发现随着退火温度的升高,颗粒粒径逐渐增大。在750 ℃退火情况下,颗粒明显团聚,表明过低的退火温度不利于颗粒生长和分散;800 ℃退火时,颗粒棱角分明且比较分散,这有利于与电解液的充分接触;而850 ℃退火时由一次颗粒团聚形成的较大二次颗粒明显较少,并且细小颗粒增多,表明过高的退火温度可能导致二次颗粒的碎裂。图6显示了NM82-1.1Li样品的表面元素分布,可以观察到颗粒表面元素分布均匀,且镍锰元素比约为77.6∶22.4。这表明FASP方法合成了具有良好表面一致性的无钴富镍NM82正极材料。
Fig. 5 SEM images of NM82 samples at different annealing temperatures: (a, d) 750 °C; (b, e) 800 °C; (c, f) 850 °C

图5 不同退火温度条件下NM82样品的SEM图:(a、d)750 ℃;(b、e)800 ℃;(c、f)850 ℃

Fig. 6 Surface element scanning of NM82-1.1Li material

图6 NM82-1.1Li材料表面元素扫描图

2.3 不同合成条件下电化学性能测试

将FASP技术制备的NM82组装成扣式电池进行性能测试。图7(a)为不同条件下合成的NM82初始充放电曲线,NM82-1.1LI在0.1 C下具有最高的初始放电比容量(180.2 mA∙h/g,表3),表明使用FASP工艺在较短时间下制备的NM82,其在低电流密度下的放电容量与其他方法合成的LiNi1-xMnxO2(1-x ≥ 0.6)相当(表4)。这可能归因于FASP技术合成的材料具有接近于其他方法制备材料的I(003)/I(104) 值和c/a值、较好的结晶粒度、较低的锂镍混排水平(3.50%)和良好的层状结构,有利于Li+在晶格间的脱嵌[12,18],且明显分散的颗粒有利于与电解液充分接触。NM82-750℃具有最低的0.1 C放电比容量(159.4 mA∙h/g),其较高的锂镍混排水平与较差的层状结构阻碍了Li+ 在晶格间的脱嵌[17]图7(b)展示了不同条件下合成的NM82在1 C下的循环性能测试结果。NM82-1N2在100次循环后表现出最大的放电比容量(101.4 mA∙h/g)和最高的容量保持率(68.7%)。这可能是由于其较大的粒径减少了充放电过程中的电解液侵蚀。此外,合适的锂镍混排水平形成的“柱状效应”提升了材料结构的循环稳定性[11,14]。相比之下,NM82-1.05Li在100次循环后放电比容量最低(13.8 mA∙h/g),容量保持率仅为13.7%,这可能是由于锂过量不足导致产物“缺锂”,I(003)/I(104) 值最小,锂镍混排水平最高。图7(c)显示了不同条件下合成的NM82倍率性能测试结果。在低倍率充放电测试中,NM82-1.1LI具有较高的放电比容量,并且所有样品在10 C倍率充放电测试后其容量均能恢复。
Fig. 7 Electrochemical performance of NM82 sample prepared under different synthesis conditions: (a) the initial charge and discharge curves at 0.1 C; (b) cycle performance curves at 1 C; (c) rate performance curves

图7 不同合成条件制备的NM82电化学性能:(a)0.1 C下初始充放电曲线;(b)1 C下循环性能曲线;(c)倍率性能曲线

Table 3 Electrochemical performance of NM82 prepared under different synthesis conditions

表3 不同合成条件制备的NM82电化学性能表

样品 初始放电比容量/(mA∙h/g)
(0.1 C)
第1次放电比容量/(mA∙h/g)
(1 C)
第100次放电比容量/(mA∙h/g)
(1 C)
容量保持率/%
NM82-1N2 161.5 147.5 101.4 68.7
NM82-1.25N2 170.6 144.7 94.0 65.0
NM82-1.5N2 176.8 144.9 97.2 67.1
NM82-1.15Li 176.7 144.5 78.6 54.4
NM82-1.1LI 180.2 148.6 74.4 50.0
NM82-1.05Li 168.2 100.6 13.8 13.7
NM82-750℃ 148.9 110.1 61.5 55.9
NM82-850℃ 159.4 135.6 76.2 56.2
Table 4 Performance comparison of LiNi1-xMnxO2 (1-x ≥ 0.6) synthesized by different methods

表4 不同方法合成LiNi1-xMnxO2(1-x ≥ 0.6)的性能比较

制备方法 样品 前驱体合成时间 I(003)/I(104) c/a 粒径/μm 放电比容量/(mA∙h/g) 文献
共沉淀法 LiNi0.7Mn0.3O2 60 h 1.24 7.3 176.0(0.1 C) [41]
溶胶凝胶法 LiNi0.9Mn0.1O2 4 h 1.14 4.938 202.1(0.1 C) [19]
熔盐法 LiNi0.7Mn0.3O2 1.39 4.920 0.2 ~ 3.0 176.2(0.2 C) [20]
微波辅助法 LiNi0.8Mn0.2O2 14 h 1.32 4.951 8.2 195.6(0.2 C) [21]
FASP LiNi0.8Mn0.2O2 毫秒级 1.20 4.942 1.0 ~ 3.0 180.2(0.1 C) 本文

3 结论

采用火焰辅助喷雾热解方法合成了结晶度良好、锂镍混排水平低、层状结构明显的无钴富镍正极材料LiNi0.8Mn0.2O2(NM82)。通过控制变量探究了合成条件对其结构、形貌和电化学性能的影响,结果表明:高载气流速利于降低材料中的锂挥发和形成层状结构;添加适当的过量锂盐可弥补火焰热解与退火过程中的锂损失;合适的退火温度有利于颗粒生长、降低材料的锂镍混排水平并形成层状结构。在载气流速1.5 L/min、锂过量10%、退火温度800 ℃的合成条件下,FASP制备的NM82具有最低的锂镍混排水平与良好的层状结构,在0.1 C倍率下其初始放电比容量达180.2 mA∙h/g,与其他传统制备工艺相近。
[1]
MASIAS A, MARCICKI J, PAXTON W A.Opportunities and challenges of lithium ion batteries in automotive applications[J]. ACS energy letters, 2021, 6(2): 621-630. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02584.

[2]
LIU L L, XU J R, WANG S, et al.Practical evaluation of energy densities for sulfide solid-state batteries[J]. eTransportation, 2019, 1: 100010. DOI: 10.1016/j.etran.2019.100010.

[3]
ZHANG J B, HUA W B, ZHENG Z, et al.Preparation and electrochemical performance of Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 cathode material for high-rate lithium-ion batteries[J]. Acta physico-chimica sinica, 2015, 31(5): 905-912. DOI: 10.3866/pku.Whxb201503091.

[4]
ZANG G Y, ZHANG J A, XU S Q, et al.Techno-economic analysis of cathode material production using flame-assisted spray pyrolysis[J]. Energy, 2021, 218: 119504. DOI: 10.1016/j.energy.2020.119504.

[5]
TAN X R, ZHANG M L, LI J, et al.Recent progress in coatings and methods of Ni-rich LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials: a short review[J]. Ceramics international, 2020, 46(14): 21888-21901. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.06.091.

[6]
PARK G T, SUN H, NOH T C, et al.Nanostructured co-free layered oxide cathode that affords fast-charging lithium-ion batteries for electric vehicles[J]. Advanced energy materials, 2022, 12(48): 2202719. DOI: 10.1002/aenm.202202719.

[7]
ZHAO H, LAM W Y A, SHENG L, et al. Cobalt-free cathode materials: families and their prospects[J]. Advanced energy materials, 2022, 12(16): 2103894. DOI: 10.1002/aenm.202103894.

[8]
GOURLEY S W D, OR T, CHEN Z W. Breaking free from cobalt reliance in lithium-ion batteries[J]. iScience, 2020, 23(9): 101505. DOI: 1016/j.isci.2020.101505.

[9]
MURALIDHARAN N, SELF E C, DIXIT M, et al.Next-generation cobalt-free cathodes - a prospective solution to the battery industry's cobalt problem[J]. Advanced energy materials, 2022, 12(9): 2103050. DOI: 10.1002/aenm.202103050.

[10]
WU F, LI Q, CHEN L, et al.An optimized synthetic process for the substitution of cobalt in nickel-rich cathode materials[J]. Acta physico-chimica sinica, 2022, 38(5): 2007017. DOI: 10.3866/pku.Whxb202007017.

[11]
LIU T C, YU L, LIU J J, et al.Understanding Co roles towards developing Co-free Ni-rich cathodes for rechargeable batteries[J]. Nature energy, 2021, 6(3): 277-286. DOI: 10.1038/s41560-021-00776-y.

[12]
KIM Y, SEONG W M, MANTHIRAM A.Cobalt-free, high-nickel layered oxide cathodes for lithium-ion batteries: progress, challenges, and perspectives[J]. Energy storage materials, 2021, 34: 250-259. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.09.020.

[13]
HUANG W Y, LIN C, ZHANG M J, et al.Revealing roles of Co and Ni in Mn-rich layered cathodes[J]. Advanced energy materials, 2021, 11(41): 2102646. DOI: 10.1002/aenm.202102646.

[14]
LEE S, LI W D, DOLOCAN A, et al.In‐depth analysis of the degradation mechanisms of high‐nickel, low/no‐cobalt layered oxide cathodes for lithium-ion batteries[J]. Advanced energy materials, 2021, 11(31): 2100858. DOI: 10.1002/aenm.202100858.

[15]
LI H Y, CORMIER M, ZHANG N, et al.Is cobalt needed in Ni-rich positive electrode materials for lithium ion batteries?[J]. Journal of the electrochemical society, 2019, 166(4): A429-A439. DOI: 10.1149/2.1381902jes.

[16]
WANG R, WANG L F, FAN Y J, et al.Controversy on necessity of cobalt in nickel-rich cathode materials for lithium-ion batteries[J]. Journal of industrial and engineering chemistry, 2022, 110: 120-130. DOI: 10.1016/j.jiec.2022.03.036.

[17]
YU L, ZHAO H A, SUN J W, et al.Insights into micromorphological effects of cation disordering on Co-free layered oxide cathodes[J]. Advanced functional materials, 2022, 32(40): 2204931. DOI: 10.1002/adfm.202204931.

[18]
ARYAL S, DURHAM J L, LIPSON A L, et al.Roles of Mn and Co in Ni-rich layered oxide cathodes synthesized utilizing a Taylor vortex reactor[J]. Electrochimica acta, 2021, 391: 138929. DOI: 10.1016/j.electacta.2021.138929.

[19]
ZHANG J T, TAN X H, GUO L M, et al.Origin of performance differences of nickel-rich LiNi0.9Mn0.1O2 cathode materials synthesized in oxygen and air[J]. Energy technology, 2019, 7(3): 1800752. DOI: 10.1002/ente.201800752.

[20]
范凤松, 徐唱, 钟盛文, 等. 电池材料LiNi0.7Mn0.3O2在熔盐中的生长与电化学性能[J]. 电源技术, 2017, 41(2): 177-180 DOI: 10.3969/j.issn.1002-087X.2017.02.001.

[21]
FU Y K, ZENG M, RAO X F, et al.Microwave-assisted synthesis and Co, Al co-modification of Ni-rich LiNi0.8Mn0.2O2 materials for Li-ion battery electrode[J]. Journal of inorganic materials, 2021, 36(7): 718-724. DOI: 10.15541/jim20200522.

[22]
CHOI S H, KIM J H, KO Y N, et al.Preparation and electrochemical properties of glass-modified LiCoO2 cathode powders[J]. Journal of power sources, 2013, 244: 129-135. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.03.028.

[23]
LI H P, ERINMWINGBOVO C, BIRKENSTOCK J, et al.Double flame-fabricated high-performance AlPO4/ LiMn2O4 cathode material for Li-ion batteries[J]. ACS applied energy materials, 2021, 4(5): 4428-4443. DOI: 10.1021/acsaem.1c00024.

[24]
KRUMEICH F, WASER O, PRATSINIS S E.Thermal annealing dynamics of carbon-coated LiFePO4 nanoparticles studied by in-situ analysis[J]. Journal of solid state chemistry, 2016, 242: 96-102. DOI: 10.1016/j.jssc.2016.07.002.

[25]
WANG Y, ROLLER J, MARIC R.Morphology-controlled one-step synthesis of nanostructured LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 electrodes for Li-ion batteries[J]. ACS omega, 2018, 3(4): 3966-3973. DOI: 10.1021/acsomega.8b00380.

[26]
PURWANTO A, YUDHA C S, MUHAMMAD K I, et al.Synthesis of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode material via flame-assisted spray pyrolysis method[J]. Advanced powder technology, 2020, 31(4): 1674-1681. DOI: 10.1016/j.apt.2020.01.035.

[27]
JANG H, SEONG C, SUH Y, et al.Synthesis of lithium-cobalt oxide nanoparticles by flame spray pyrolysis[J]. Aerosol science and technology, 2004, 38(10): 1027-1032. DOI: 10.1080/027868290524016.

[28]
LI S Q, REN Y H, BISWAS P, et al.Flame aerosol synthesis of nanostructured materials and functional devices: processing, modeling, and diagnostics[J]. Progress in energy and combustion science, 2016, 55: 1-59. DOI: 10.1016/j.pecs.2016.04.002.

[29]
LIU S, MOHAMMADI M M, SWIHART M T.Fundamentals and recent applications of catalyst synthesis using flame aerosol technology[J]. Chemical engineering journal, 2021, 405: 126958. DOI: 10.1016/j.cej.2020.126958.

[30]
KIM J H, HONG Y J, PARK B K, et al.Nano-sized LiNi0.5Mn1.5O4 cathode powders with good electrochemical properties prepared by high temperature flame spray pyrolysis[J]. Journal of industrial and engineering chemistry, 2013, 19(4): 1204-1208. DOI: 10.1016/j.jiec.2012.12.019.

[31]
KIM J H, YI J H, KO Y N, et al.Electrochemical properties of nano-sized LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 powders in the range from 56 to 101 nm prepared by flame spray pyrolysis[J]. Materials chemistry and physics, 2012, 134(1): 254-259. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2012.02.060.

[32]
ZHANG J N, MULDOON V L, DENG S L.Accelerated synthesis of Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 cathode materials using flame-assisted spray pyrolysis and additives[J]. Journal of power sources, 2022, 528: 231244. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231244.

[33]
WANG D W, KOU R H, REN Y, et al.Synthetic control of kinetic reaction pathway and cationic ordering in high-Ni layered oxide cathodes[J]. Advanced materials, 2017, 29(39): 1606715. DOI: 10.1002/adma.201606715.

[34]
JO J H, JO C H, YASHIRO H, et al.Re-heating effect of Ni-rich cathode material on structure and electrochemical properties[J]. Journal of power sources, 2016, 313: 1-8. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.02.015.

[35]
TOBY B H, VON DREELE R B. GSAS-II: the genesis of a modern open-source all purpose crystallography software package[J]. Journal of applied crystallography, 2013, 46(2): 544-549. DOI: 10.1107/s0021889813003531.

[36]
SHEN L N, DU F H, ZHOU Q, et al.Cobalt-free nickel-rich cathode materials based on Al/Mg co-doping of LiNiO2 for lithium ion battery[J]. Journal of colloid and interface science, 2023, 638: 281-290. DOI: 10.1016/j.jcis.2023.01.134.

[37]
WANG Q, WANG Z, LI X D, et al.Synthesis and characterization of Co-free NMA cathodes for fast charging lithium-ion batteries[J]. Journal of alloys and compounds, 2023, 955: 170226. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.170226.

[38]
KIM J H, PARK C W, SUN Y K.Synthesis and electrochemical behavior of Li[Li0.1Ni0.35-x/2CoxMn0.55-x/2]O2 cathode materials[J]. Solid state Ionics, 2003, 164(1/2): 43-49. DOI: 10.1016/j.ssi.2003.08.003.

[39]
LIANG Y J, KU K, LIN Y L, et al.Process engineering to increase the layered phase concentration in the immediate products of flame spray pyrolysis[J]. ACS applied materials & interfaces, 2021, 13(23): 26915-26923. DOI: 10.1021/acsami.1c03930.

[40]
CHO D H, JO C H, CHO W, et al.Effect of residual lithium compounds on layer Ni-rich Li[Ni0.7Mn0.3]O2[J]. Journal of the electrochemical society, 2014, 161(6): A920-A926. DOI: 10.1149/2.042406jes.

[41]
KO S, LEE S C, LEE C W, et al.A Co-free layered LiNi0.7Mn0.3O2 cathode material for high-energy and long-life lithium-ion batteries[J]. Journal of alloys and compounds, 2014, 613: 96-101. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.06.059.

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