Мониторинг изменений структуры катода LiNi_0,8Co_0,1Mn_0,1O₂ в литий-ионных аккумуляторах с применением in situ рентгеноструктурного анализа

В данной работе представлены результаты in situ рентгенодифракционного исследования катодного материала LiNi_0,8Co_0,1Mn_0,1O₂, который рассматривается как один из наиболее перспективных для применения в современных литий-ионных аккумуляторах. Эксперименты проводились в режиме реального времени в ходе протекания электрохимических процессов заряда и разряда, что позволило проследить за изменением параметров кристаллической решетки и установить их взаимосвязь с механизмами интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития.
Для анализа полученных данных использовался метод Ритвельда в сочетании с программным обеспечением TOPAS 5, что обеспечило высокую точность определения параметров элементарной ячейки. Установлено, что в процессе заряда параметр a монотонно уменьшается, тогда как параметр c демонстрирует нелинейную динамику: рост до напряжения 4.0 В сменяется снижением. При разряде наблюдается обратный характер изменения параметров.
Объем элементарной ячейки в ходе деинтеркаляции лития сокращается и достигает максимального уменьшения порядка 2% при напряжении 4,2 В по сравнению с полностью разряженным состоянием (2,7 В). Полученные результаты подтверждают устойчивость структуры материала при циклировании и позволяют оценить допустимый уровень внутренних напряжений, возникающих в процессе работы аккумулятора.

1. Dunn B., Kamath H., Tarascon J.-M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices // Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). – 2011. – V. 334, N 6058. – P. 928–935.

2. Bhatt M. D., O ’Dwyer C. Recent progress in theoretical and computational investigations of Li-ion battery materials and electrolytes // Physical Chemistry Chemical Physics (Royal Society of Chemistry). – 2015. – V. 17, N 7. – P. 4799–4844.

3. Nitta N. et al. Li-ion battery materials: present and future // Materials Today. – 2015. – V. 18, N 5. – P. 252–264.

4. Zhang Y., Song Y., Liu J. In Situ Polymerization Anchoring Effect Enhancing the Structural Stability and Electrochemical Performance of the LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 Cathode Material // ACS Appl. Mater. Interfaces. American Chemical Society. – 2023. – V. 15, N 15. – P. 19075–19084.

5. Xie Q., Cui Z., Manthiram A. Unveiling the Stabilities of Nickel‐Based Layered Oxide Cathodes at an Identical Degree of Delithiation in Lithium‐Based Batteries // Advanced Materials. – 2021. – V. 33, N 32. – P. 2100804.

6. Zhang J. et al. Nickel-rich layered cathode LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 mediated by a selective lattice doping towards high-performance lithium ion battery // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – V. 957. – P. 170400.

7. Zubi G. et al. The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – V. 89. – P. 292–308.

8. Huang W. et al. Revealing Roles of Co and Ni in Mn‐Rich Layered Cathodes // Advanced Energy Materials. – 2021. – V. 11, N 41. – P. 2102646.

9. Lee H. et al. Materials challenges in high-energy batteries enabling ultra-fast charging and non-flammable performance for electric vehicles // Front. Batter. Electrochem. –2025. – V. 4. – P. 1636618.

10. Takegami D. et al. Valence study of Li(Ni0.5 Mn0.5)1−xCoxO2 and LiNi1−xCox O2 : The role of charge transfer and charge disproportionation // Phys. Rev. Materials. – 2024. – V. 8, N 5. – P. 055401. 11. Wu Z. et al. Ni-rich cathode materials for stable high-energy lithium-ion batteries // Nano Energy. – 2024. – V. 126. – P. 109620.

11. Mohanty D. et al. Unconventional irreversible structural changes in a high-voltage Li–Mn-rich oxide for lithium-ion battery cathodes // Journal of Power Sources. – 2015. – V. 283. – P. 423–428.

12. Hausbrand R. et al. Fundamental degradation mechanisms of layered oxide Li-ion battery cathode materials: Methodology, insights and novel approaches // Materials Science and Engineering: B. – 2015. – V. 192. – P. 3–25.