In Operando Visualization of Cation Disorder Unravels Voltage Decay in Ni‐Rich Cathodes

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作者
Ang Gao,Xinyan Li,Fanqi Meng,Shengnan Guo,Xia Lu,Dong Su,Xuefeng Wang,Qinghua Zhang,Lin Gu
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:5 (2): e2000730-e2000730 被引量:32
标识
DOI:10.1002/smtd.202000730
摘要

Despite the high energy density of Ni-rich layered-oxide electrodes, their real-world implementation in batteries is hindered by the substantial voltage decay on cycling, which mainly originates from bulk and surface structural degradation. Here, in operando observation of cation disorder, a major origin of structural degradation, reveals the voltage decay mechanism in Ni-rich cathode. Viewed along [1 1-0] and [110] orientations by scanning transmission electron microscopy, it is demonstrated that transition metal (TM) migration gives rise to the drastic fluctuation of interlamellar spacing and NiO bond length, but almost exerts no influence on atom site in ab plane. Density functional theory calculations reveal that the fluctuation of the NiO bond length triggers voltage decay via lifting the energy level of the antibonding (3dz2 -2p)* orbits. Broadening bands by a shorter NiO bond increase the voltage slope of battery, which will reduce the accessible Li capacity within the stable voltage range of the electrolyte. Furthermore, a collaborative path of TM migration triggered by oxygen vacancy is verified to account for the TM migration. The finding provides insights into new chemistry to be explored for developing high-capacity layered electrodes that evade voltage decay.
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