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Cation-ordered Ni-rich positive electrode material with superior chemical and structural stability enabled by atomic substitution for lithium-ion batteries

钼 阴极 电化学 过渡金属 材料科学 结构稳定性 离子 锂(药物) 金属 价(化学) 无机化学 电极 化学工程 化学 物理化学 冶金 催化作用 有机化学 内分泌学 工程类 医学 结构工程 生物化学
作者
Fengxia Fan,Ruixin Zheng,Ting Zeng,Haoyang Xu,Xiaojuan Wen,Xinxiang Wang,Guilei Tian,Shuhan Wang,Chenrui Zeng,Wei Xiang,Chaozhu Shu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:477: 147181-147181 被引量:69
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147181
摘要

Ni-rich layered oxides are considered as the most promising cathode materials for lithium-ion batteries (LIBs) due to their high specific capacity and low cost. However, the disordered Li/Ni mixing greatly affects their structural stability and electrochemical performance, thus hindering their wide application in commercial LIBs. Aiming to inhibit the premature death of Ni-rich layered oxides originated from the disordered Li/Ni mixing, atomic substitution of transition metal ions in LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 with high-valence metal molybdenum ions (denoted as Mo-NCM) is proposed in this work. The structure evolution of the as-prepared Mo-NCM caused by molybdenum substitution and the stability of Mo-NCM cathodes are comprehensively studied. Integrating experimental characterization with calculation results, it is found that the partial substitution of transition metal ions with Mo6+ ions can induce cation ordering and promote Li+ diffusion dynamics. Moreover, Mo6+ cations can act as the pillar to prevent local collapse and structural distortion, thus maintaining structural stability of the material. Furthermore, the formation of strong Mo-O bond between molybdenum and oxygen element can stabilize lattice oxygen and enhance the chemical stability of Ni-rich cathode. In addition, molybdenum modification can effectively reduce the exchange energy of Li+/Ni2+ and increase oxygen vacancy formation energy, further enhancing structural stability and promoting the kinetics of Li+ diffusion, and eventually enhancing the electrochemical performance of Mo-NCM based Li-ion batteries. The capacity retention of LIBs with 1 mol% Mo-NCM cathode can reach 98.67% after 200 cycles at 1C. This study provides a new insight into enhancing the chemical and structural robustness of Ni-rich cathode electrode materials.
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