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Na+ orientates Jahn-Teller effect to tune Li+ diffusion pathway and kinetics for Single-Crystal Ni-rich LiNixCoyMn1-x-yO2 cathode materials

扩散 单晶 阴极 兴奋剂 化学 材料科学 结晶学 结晶 相(物质) 分析化学(期刊) 化学工程 化学物理 热力学 物理化学 物理 工程类 有机化学 光电子学 色谱法
作者
Jiyuan Jian,Xingtao Xu,Xiaoyi Pan,Guokang Han,Rang Xiao,Ziwei Liu,Dandan Sun,Xiangwu Zhang,Qingjie Zhou,He Zhu,Geping Yin,Hua Huo,Yulin Ma,Pengjian Zuo,Xinqun Cheng,Chunyu Du
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:496: 154344-154344 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.154344
摘要

Single-crystallization is an effective strategy for enhancing both capacity and stability of Ni-rich LiNi1-x-yCoxMnyO2 (NCM) cathode materials, especially at high cut-off voltages. However, the kinetics limitation of solid-phase Li+ diffusion is a major concern because of the long diffusion path in large single-crystal particles. To address this issue, we synthesize a Na-doped single-crystal LiNi0.82Co0.125Mn0.055O2 (NCM-Na) cathode material by a facile mixed-molten-salt sintering process. Na+ is revealed to be uniformly doped at the Li+ lattice sites within the entire single-crystal particles. This Na+ doping effectively enhances the dynamics of Li+ transport in the layered oxide phases. The NCM-Na material with 2 at.% Na doping shows a Li+ diffusion coefficient up to more than 8 times higher than pristine NCM. In-situ X-ray diffraction and finite element analysis demonstrate significantly facilitated H1-H2-H3 phase transition in NCM-Na materials, compared with the severe phase separation phenomenon in NCM counterpart, hoisting their rate capacity and structure stability. Thus, the NCM-Na material achieves a superior reversible capacity of 177.7 mAh/g at 5C, and a capacity retention of 94.4 % after 100 cycles at 0.5C at a high cut-off voltage of 4.5 V. By density function theory calculations, we reveal that Na+ doping can selectively stabilize the surrounding Li+ at the second farthest hexagonal vertexes by tuning the orientation of the Jahn-Teller effect of Ni3+. These Li+ ions frame a high-speed pathway for preferential Li+ diffusion, which promotes the Li+ diffusion kinetics even in highly delithiated states. Our findings provide insights into the Na+ doping mechanism and present a low-cost, highly efficient, and scalable method to enhance the performance of single-crystal Ni-rich NCM materials.
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