A highly stabilized Ni-rich NCA cathode for high-energy lithium-ion batteries

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作者
Hoon Ryu,Nam Yung Park,Ji Hoon Seo,Yi Yu,Monika Sharma,Robert Mücke,Payam Kaghazchi,Chong Seung Yoon,Yang Kook Sun
出处
期刊:Materials Today [Elsevier]
卷期号:36: 73-82 被引量:160
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2020.01.019
摘要

In this study, we have demonstrated that boron doping of Ni-rich Li[NixCoyAl1−x−y]O2 dramatically alters the microstructure of the material. Li[Ni0.885Co0.1Al0.015]O2 is composed of large equiaxed primary particles, whereas a boron-doped Li[Ni0.878Co0.097Al0.015B0.01]O2 cathode consists of elongated particles that are highly oriented to produce a strong, crystallographic texture. Boron reduces the surface energy of the (0 0 3) planes, resulting in a preferential growth mode that maximizes the (0 0 3) facet. This microstructure modification greatly improves the cycling stability; the Li[Ni0.878Co0.097Al0.015B0.01]O2 cathode maintains a remarkable 83% of the initial capacity after 1000 cycles even when it is cycled at 100% depth of discharge. By contrast, the Li[Ni0.885Co0.1Al0.015]O2 cathode retains only 49% of its initial capacity. The superior cycling stability clearly indicates the importance of the particle microstructure (i.e., particle size, particle shape, and crystallographic orientation) in mitigating the abrupt internal strain caused by phase transitions in the deeply charged state, which occurs in all Ni-rich layered cathodes. Microstructure engineering by surface energy modification, when combined with protective coatings and composition modification, may provide a long-sought method of harnessing the high capacity of Ni-rich layered cathodes without sacrificing the cycling stability.
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