Multi-Element Synergistic Doping Enables Cooperative Structural Stabilization of Ultra-High-Nickel Cathodes

材料科学 阴极 兴奋剂 纳米技术 光电子学 化学 化学工程 掺杂剂 纳米颗粒 机制(生物学)
作者
Caiyan Qiu,Huazhang Zhou,Mingle Chu,Peng Gao,Xudong Li,Yanan Zhu
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (6): 3506-3516 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsaem.6c00104
摘要

Ultrahigh-nickel layered oxide cathodes (LiNi x Co y Mn 1– x – y O 2, NCM, Ni ≥ 90%) are promising for high-energy-density lithium-ion batteries (LIBs) but suffer from severe structural instability. The H2–H3 phase transition induces lattice strain and cracking, while Li + /Ni 2+ mixing impedes Li + transport, causing rapid degradation. Herein, a ternary synergistic modification strategy based on multielement codoping is proposed, in which B 3+, Ti 4+, and Al 3+ are simultaneously introduced into an ultrahigh-nickel NCM cathodes. B 3+ preferentially occupies tetrahedral interstitial sites within the oxygen framework, alleviating phase-transition-induced stress accumulation, suppressing microcrack generation, and facilitating Li + migration. In contrast, Ti 4+ and Al 3+ mainly reside at transition-metal sites, where they stabilize the local TM-O coordination environment and reduce Li + /Ni 2+ mixing, thereby maintaining the structural integrity of the layered framework. Benefiting from these synergistic effects, the codoped cathode delivers a high initial discharge capacity of 222.72 mAh g –1, retains 90.1% capacity after 200 cycles at 1C, and maintains 182 mAh g –1 at 5C. This work establishes a rational and scalable design paradigm for ultrahigh-nickel NCM cathodes.
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