Inhibiting collective cation migration in Li-rich cathode materials as a strategy to mitigate voltage hysteresis

阴极 材料科学 磁滞 化学物理 电压 化学工程 光电子学 纳米技术 凝聚态物理 化学 电气工程 物理化学 物理 工程类
作者
Jianping Huang,Bin Ouyang,Yaqian Zhang,Liang Yin,Deok‐Hwang Kwon,Zijian Cai,Zhengyan Lun,Guobo Zeng,Mahalingam Balasubramanian,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
被引量:81
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01467-z
摘要

Lithium-rich cathodes are promising energy storage materials due to their high energy densities. However, voltage hysteresis, which is generally associated with transition metal migration, limits their energy efficiency and implementation in practical devices. Here we reveal that voltage hysteresis is related to the collective migration of metal ions, and that isolating the migration events from each other by creating partial disorder can create high-capacity reversible cathode materials, even when migrating transition metal ions are present. We demonstrate this on a layered Li-rich chromium manganese oxide that in its fully ordered state displays a substantial voltage hysteresis (>2.5 V) associated with collective transition metal migration into Li layers, but can be made to achieve high capacity (>360 mAh g−1) and energy density (>1,100 Wh kg−1) when the collective migration is perturbed by partial disorder. This study demonstrates that partially cation-disordered cathode materials can accommodate a high level of transition metal migration, which broadens our options for redox couples to those of mobile cations. The high energy densities of Li-rich cathodes are promising for Li-ion batteries, but voltage hysteresis limits their practical implementation. Voltage hysteresis is shown to be related to collective migration of metal ions, and isolating migration leads to high-capacity reversible cathodes.
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