Local Cation-Ordered Superlattice Stabilizing Ni-Rich Single-Crystalline Cathodes

化学 结晶学 阴极 微晶 锂(药物) 电化学 结构稳定性 纳米技术 化学物理 化学工程 材料科学 电极 物理化学 内分泌学 工程类 医学 结构工程
作者
Tao Huang,Weiyuan Huang,Pei Liu,Yang Gu,Xiangzhong Ren,Jianhong Liu,Xianghui Xiao,Khalil Amine,Qianling Zhang,Biwei Xiao,Tongchao Liu,Jiangtao Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00615
摘要

Ni-rich single-crystalline cathodes are pivotal for advancing lithium-ion battery technology due to their high energy density and mechanical stability. However, Ni-rich single-crystalline particles face intrinsic structural heterogeneity due to excessively high sintering temperature required to shape micron-sized morphologies─typically over 150 °C above the polycrystalline optimum, leading to rapid electrochemical decay and unsatisfied rate performance that hinder their practical application. Here, we propose a lithium-deficient presintering strategy to synthesize cation-ordered single-crystalline LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 (S-NCM83), effectively minimizing lattice chemical heterogeneity and defect formation. The resulting cation-ordered percolation network enhances the structural stability of the bulk, reduces the energy barrier for Li+ migration, and stabilizes Li+ diffusion pathways. Consequently, S-NCM83 demonstrates significantly improved cycling stability across various operating temperatures and achieves exceptional rate performance, delivering 206 mAh g-1 at 0.1 C and 170 mAh g-1 at 5 C, without requiring surface coatings or doping. This work introduces a universal strategy to address the long-standing structural instability issues in single-crystalline cathodes, paving the way for simplified and scalable approaches to long-life and high-energy lithium-ion batteries.
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