Stimulative formation of truncated octahedral LiMn2O4 by Cr and Al co-doping for use in durable cycling Li-ion batteries

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作者
Qimei Liang,Zilin Wang,Wei Bai,Junming Guo,Mingwu Xiang,Xiaofang Liu,Hongli Bai
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
卷期号:50 (46): 17052-17061 被引量:12
标识
DOI:10.1039/d1dt03221f
摘要

The rational design of the unique morphology of particles has been considered as the key to improving the structural stability of spinel LiMn2O4 cathode materials for Li-ion batteries. Herein, a facile solid-state combustion process, combined with a Cr and Al co-doping approach, is proposed to prepare various LiCr0.01AlxMn1.99-xO4 (x ≤ 0.10) cathode materials with a good crystallinity. Cr and Al co-doping facilitates the formation of a single crystal truncated octahedral morphology. This endows the as-prepared LiCr0.01AlxMn1.99-xO4 with abundant {111} planes for Mn dissolution reduction and a few {100} and {110} planes for Li+ ion fast diffusion channels. Moreover, the introduction of Cr and Al elements with a stable electronic configuration further boosts the structural stability of the spinel LiMn2O4 owing to the relatively robust Al-O and Cr-O bonds compared with the Mn-O bond. Owing to these advantages, the optimal LiCr0.01Al0.05Mn1.94O4 delivers a good electrochemical performance with a high first discharge capacity of 118.5 mA h g-1 and a capacity retention of 70.8% after 1000 cycles at 1 C. Even at relatively high current rates of 15 and 20 C, a durable and prolonged cycling performance of up to 3000 cycles can be achieved. In addition, a high-temperature capacity retention of 72.1% is also maintained after 200 cycles at 5 C under 55 °C. This work provides potential candidates for developing long-life Li-ion batteries with a simultaneously high capacity.
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