Mitigating Voltage Decay of Li-Rich Cathode Material via Increasing Ni Content for Lithium-Ion Batteries

材料科学 锂(药物) X射线光电子能谱 离子 阴极 尖晶石 化学工程 纳米技术 冶金 物理化学 化学 医学 有机化学 工程类 内分泌学
作者
Ji‐Lei Shi,Jienan Zhang,Min He,Xu‐Dong Zhang,Ya‐Xia Yin,Hong Li,Yu‐Guo Guo,Lin Gu,Li‐Jun Wan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:8 (31): 20138-20146 被引量:223
标识
DOI:10.1021/acsami.6b06733
摘要

Li-rich layered materials have been considered as the most promising cathode materials for future high-energy-density lithium-ion batteries. However, they suffer from severe voltage decay upon cycling, which hinders their further commercialization. Here, we report a Li-rich layered material 0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 with high nickel content, which exhibits much slower voltage decay during long-term cycling compared to conventional Li-rich materials. The voltage decay after 200 cycles is 201 mV. Combining in situ X-ray diffraction (XRD), ex situ XRD, ex situ X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning transmission electron microscopy, we demonstrate that nickel ions act as stabilizing ions to inhibit the Jahn–Teller effect of active Mn3+ ions, improving d–p hybridization and supporting the layered structure as a pillar. In addition, nickel ions can migrate between the transition-metal layer and the interlayer, thus avoiding the formation of spinel-like structures and consequently mitigating the voltage decay. Our results provide a simple and effective avenue for developing Li-rich layered materials with mitigated voltage decay and a long lifespan, thereby promoting their further application in lithium-ion batteries with high energy density.

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