Unveiling the Over‐Lithiation Behavior of NCM523 Cathode Towards Long‐Life Anode‐Free Li Metal Batteries

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作者
Ruimin Gao,Minzhi Zhan,T. J. Li,Pei Xiong,Qian Zhang,Zhefeng Chen,Jike Wang,Xinping Ai,Feng Pan,Liumin Suo,Jiangfeng Qian
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/advs.202503558
摘要

Anode-free lithium metal batteries (AFLMBs) offer the potential for significantly enhanced energy densities. However, their practical application is limited by a shortened cycling life due to inevitable Li loss from parasitic reactions. This study addresses this challenge by incorporating an over-lithiated Li1+ xNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (Li1+ xNCM523) cathode as an internal Li reservoir to compensate for lithium loss during extended cycling. A rigorous investigation of the deep discharge behavior of the Li1+ xNCM523 cathode reveals a critical over-lithiation threshold at x = 0.7. At this threshold, excess Li+ ions are safely accommodated within the crystal structure by a transformation from the LiO4 octahedron to two tetrahedral sites. Beyond this threshold (x ≥ 0.7), the structural stability of the cathode is significantly compromised due to the irreversible reduction of transition metal (TM) ions. The optimal Li-rich Li1.7NCM523 releases an additional charge capacity of ≈160 mAh g-1 during the first charge. Consequently, the AFLMBs (Li1.7NCM523||Cu) achieve outstanding capacity retention of 93.3% after 100 cycles at 0.5 C and 78.5% after 200 cycles at 1 C. The findings establish a research paradigm for designing superior over-lithiated transition metal oxide cathode materials and underscore the critical role of the lithium reservoir in extending the cycle life of AFLMBs.
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