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Insights into the Enhanced Structural and Thermal Stabilities of Nb-Substituted Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes

材料科学 热稳定性 阴极 兴奋剂 锂(药物) 氧化物 过渡金属 氧气 化学工程 结构稳定性 无机化学 物理化学 光电子学 冶金 催化作用 有机化学 化学 内分泌学 工程类 医学 结构工程 生物化学
作者
Chunxiao Zhang,Bo Wei,Wenjun Jiang,Meiyu Wang,Hu Wang,Chaoping Liang,Tianshuo Wang,Libao Chen,Ruifeng Zhang,Peng Wang,Weifeng Wei
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (38): 45619-45629 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acsami.1c13908
摘要

Lithium-rich manganese-based layered oxides (LLOs) are considered to be the most promising cathode materials for next-generation lithium-ion batteries (LIBs) for their higher reversible capacity, higher operating voltage, and lower cost compared with those of other commercially available cathode materials. However, irreversible lattice oxygen release and associated severe structural degradation that exacerbate under high temperature and deep delithiation hinder the large-scale application of LLOs. Herein, we propose a strategy to stabilize the layered lattice framework and improve the thermal stability of cobalt-free Li1.2Mn0.53Ni0.27O2 by doping with 4d transition metal niobium (Nb). Detailed atomic-scale imaging, in situ characterization, and DFT simulations confirm that the induced strong Nb-O bonds stabilize the oxygen lattice framework and restrains the fracture of TM-O bonds, thereby inhibiting the release of lattice oxygen and the continuous migration of TM ions to the lithium layer during the cycle. Furthermore, Nb doping also promotes the surface rearrangement to form a Ni-enrichment layered/rocksalt heterogeneous interface to enhance surface structural stability. As a result, the Nb-doped material delivers a capacity of 181.7 mAh g-1 with retention of 85.5% after 200 cycles at 1C, extraordinary thermal stability with a capacity retention of 80.7% after 200 cycles at 50 °C, and superior rate capability.
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