Synthesis and structural design of Co, Ni-free disordered rock-salt cathode materials for lithium-ion batteries via novel mechanochemical ball milling methode

Li-excess cation disordered rocksalt (DRX) cathodes have gained significant attention in the field of Li-ion batteries due to their high capacities and the utilization of abundant transition metals. In this study, a novel technique employing dry ball milling is introduced as a simple, low cost, and energy-efficient method for synthesizing DRX cathodes. Additionally, cation deficiency engineering is explored to optimize the overall electrochemical performance of the DRX cathodes, as cation vacancy is expected to improve Li percolation and provides additional sites for Li ions intercalation, thereby increasing the specific capacity of the materials. The proof-of-concept material, Li1.25Fe0.5Nb0.25O2/C, is used to demonstrate the effectiveness of the new synthesis technique. It is observed that the desired DRX phase can be achieved via dry milling approach, however, often with impure phases leading to reduced capacity and fast capacity fade. Furthermore, even though the introduction of 2% and 6% cation vacancies through dry milling shows cation advantageous, it should be noted that introducing cation vacancies through that technique, particularly at higher vacancy levels, can also lead to structural instability and poor cycling stability. This instability may result in material degradation, capacity loss, and diminished battery performance. Thus, dry ball milling is an interesting technique for synthesis of DRX cathodes, but the systematic optimization, regarding the milling speed and duration, the weight ratio of material and balls, is necessary for each target material.

I catodi Li-excess cation disordered rocksalt (DRX) hanno attirato molta attenzione nel campo delle batterie al litio grazie alla loro elevata capacità e all'utilizzo di metalli di transizione presenti in maniera abbondante sul pianeta Terra. In questo studio viene presentata una nuova tecnica che utilizza la frantumazione a secco mediante mulino a sfere (ball milling) come metodo non complesso , economico ed energeticamente efficiente per la sintesi di catodi DRX. Inoltre, viene esaminata l'ingegnerizzazione dei catodi Li-excess cation disordered rocksalt (DRX) per ottimizzare le prestazioni elettrochimiche complessive dei catodi DRX, poiché si prevede che un maggior numero di posti vacanti nella struttura cristallina del materiale migliori la percolazione del litio e fornisca siti aggiuntivi per l'intercalazione degli ioni di litio, aumentando così la capacità specifica dei materiali. Il materiale di prova, Li1.25Fe0.5Nb0.25O2/C, viene utilizzato per dimostrare l'efficacia della nuova tecnica di sintesi. Si osserva che la fase DRX desiderata può essere ottenuta mediante l'approccio di frantumazione a secco, tuttavia spesso con fasi impure che portano a una capacità ridotta e a un rapido decadimento della capacità. L'introduzione di vuoti nella struttura cristallina del 2% e del 6% tramite il metodo oggetto della ricerca mostra alcuni vantaggi, tuttavia può anche portare a un'instabilità strutturale del materiale che si riflette in una scarsa stabilità durante i cicli di carica/scarica con conseguente degrado del materiale, perdita di capacità e riduzione delle prestazioni della batteria. Pertanto, la frantumazione a secco mediante mulino a sfere è una tecnica interessante per la sintesi di catodi DRX, ma è necessaria un'ottimizzazione sistematica, riguardo alla velocità e alla durata della frantumazione, al rapporto di peso tra materiale e sfere, per ogni materiale target, in questo modo sarà possibile ridurre la presenza di fasi impure e limitare il decadimento delle proprietà strutturali e elettrochimiche del materiale.