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Extended Interfacial Stability through Simple Acid Rinsing in a Li-Rich Oxide Cathode Material

化学 钝化 电解质 氧化还原 氧化物 阴极 无机化学 氧气 离子 X射线光电子能谱 分析化学(期刊) 电极 化学工程 图层(电子) 物理化学 色谱法 工程类 有机化学
作者
Srinivasan Ramakrishnan,Byungchun Park,Jue Wu,Wanli Yang,Bryan D. McCloskey
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (18): 8522-8531 被引量:128
标识
DOI:10.1021/jacs.0c02859
摘要

Layered Li-rich Ni, Mn, Co (NMC) oxide cathodes in Li-ion batteries provide high specific capacities (>250 mAh/g) via O-redox at high voltages. However, associated high-voltage interfacial degradation processes require strategies for effective electrode surface passivation. Here, we show that an acidic surface treatment of a Li-rich NMC layered oxide cathode material leads to a substantial suppression of CO2 and O2 evolution, ∼90% and ∼100% respectively, during the first charge up to 4.8 V vs Li+/0. CO2 suppression is related to Li2CO3 removal as well as effective surface passivation against electrolyte degradation. This treatment does not result in any loss of discharge capacity and provides superior long-term cycling and rate performance in comparison to as-received, untreated materials. We also quantify the extent of lattice oxygen participation in charge compensation ("O-redox") during Li+ removal by a novel ex situ acid titration. Our results indicate that the peroxo-like species resulting from O-redox originate on the surface at least 300 mV earlier than the activation plateau region at around 4.5 V. X-ray photoelectron spectra and Mn L-edge X-ray absorption spectra of the cathode powders reveal a Li+ deficiency and a partial reduction of Mn ions on the surface of the acid-treated material. More interestingly, although the irreversible oxygen evolution is greatly suppressed through the surface treatment, O K-edge resonant inelastic X-ray scattering shows that the lattice O-redox behavior is largely sustained. The acidic treatment, therefore, only optimizes the surface of the Li-rich material and almost eliminates the irreversible gas evolution, leading to improved cycling and rate performance. This work therefore presents a simple yet effective approach to passivate cathode surfaces against interfacial instabilities during high-voltage battery operation.
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