Tailoring grain boundary structures and chemistry of Ni-rich layered cathodes for enhanced cycle stability of lithium-ion batteries

阴极 电解质 晶界 材料科学 化学工程 晶间腐蚀 溶解 冶金 腐蚀 化学 微观结构 电极 工程类 物理化学
作者
Pengfei Yan,Jianming Zheng,Jian Liu,Biqiong Wang,Xiaopeng Cheng,Yuefei Zhang,Xueliang Sun,Chongmin Wang,Ji‐Guang Zhang
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:3 (7): 600-605 被引量:777
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0191-3
摘要

A critical challenge for the commercialization of layer-structured nickel-rich lithium transition metal oxide cathodes for battery applications is their capacity and voltage fading, which originate from the disintegration and lattice phase transition of the cathode particles. The general approach of cathode particle surface modification could partially alleviate the degradation associated with surface processes, but it still fails to resolve this critical barrier. Here, we report that infusing the grain boundaries of cathode secondary particles with a solid electrolyte dramatically enhances the capacity retention and voltage stability of the cathode. We find that the solid electrolyte infused in the boundaries not only acts as a fast channel for lithium-ion transport, it also, more importantly, prevents penetration of the liquid electrolyte into the boundaries, and consequently eliminates the detrimental factors, which include cathode–liquid electrolyte interfacial reactions, intergranular cracking and layered-to-spinel phase transformation. This grain-boundary engineering approach provides design ideas for advanced cathodes for batteries. The development of Ni-rich layered lithium transition metal oxides is plagued by their voltage and capacity fading on battery cycling. Here, the authors demonstrate an effective approach to treat these problems by infusing a solid electrolyte into the grain boundaries of the secondary particles of these layered materials.
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