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Complex‐Concentrated Anion Doping Enables Ultra‐Stable Lattice Oxygen and Structural Integrity in Lithium‐Rich Layered Oxide Cathodes

材料科学 阴极 电化学 氧化物 氧气 插层(化学) 电极 陶瓷 扫描透射电子显微镜 储能 离子 化学工程 化学物理 结构稳定性 扫描电子显微镜 极化(电化学) 纳米技术 电子能量损失谱 透射电子显微镜 氧化还原 过渡金属 相变 格子(音乐) 石墨烯 蜂窝结构 电压 分析化学(期刊) 光电子学 兴奋剂 光谱学 氧化钒
作者
Lei Wang,Rui Zhang,Chunyang Wang,Zhen Wang,Yaqi Jing,Peng Zhao,Yuzheng Xie,Mingyuan Ge,Lu Ma,Iradwikanari Waluyo,Adrian Hunt,Stephen E. Trask,Ruoqian Lin,Huolin L. Xin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (16): e22399-e22399
标识
DOI:10.1002/adma.202522399
摘要

ABSTRACT Lithium‐ and manganese‐rich layered oxides (LMR) stand out as next‐generation lithium‐ion cathode chemistries, which harness both transition‐metal and lattice‐oxygen redox processes to deliver exceptional capacity and energy density. However, their full potential is hindered by intrinsic oxygen instability and structural degradation, resulting in pronounced voltage fade and capacity decay. Here, we present a complex‐concentrated anion‐doping paradigm in which multiple anions, F, Br, and S, are incorporated into the oxygen sublattice to enhance oxygen‐redox and structural stability. X‐ray absorption spectroscopy and aberration‐corrected scanning transmission electron microscopy confirm ultra‐stable local oxygen coordination environments during long‐term cycling, with detrimental phase transformations and oxygen‐loss‐induced cavitation dramatically inhibited. Notably, we show that the characteristic LiTM 6 transition metal (TM) honeycomb ordering is preserved even after electrochemical cycling. Concurrently, this strategy yields an unprecedented volume change of only 0.63% upon charging to 4.8 V vs. Li + /Li, achieving the first zero‐strain LMR cathode. The resulting LMR cathode delivers ultralow voltage fade (1 mV per cycle during the first 100 cycles and becomes negligible in subsequent cycles) and outstanding energy retention (93% after 200 cycles) in a pouch cell configuration. Our complex‐concentrated anion‐doping concept establishes a broadly applicable strategy for resolving chemo‐mechanical failure mechanisms in ceramic intercalation electrodes for next‐generation energy storage.
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