Precise modulation of surface lattice to reinforce structural stability of high-nickel layered oxide cathode by hafnium gradient doping

材料科学 兴奋剂 阴极 中子衍射 结构精修 电化学 氧化物 热稳定性 晶体结构 无机化学 化学工程 电极 光电子学 冶金 结晶学 物理化学 工程类 化学
作者
Yue Zou,Yonglin Tang,Shiyuan Zhou,Haitang Zhang,Jianken Chen,Yawen Yan,Heng Cao,Juping Xu,Wen Yin,Hong‐Gang Liao,Yu Qiao,Jun Bao,Shi‐Gang Sun
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:69: 103400-103400 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103400
摘要

The quest for high-energy lithium-ion batteries has intensified interest in high-nickel layered oxide cathode materials, while the rise in nickel content adversely impacts structural stability and cycling performance. Herein, Hafnium (Hf) anchored at nickel (Ni) site precisely modulates the surface crystal lattice of high-nickel cathode (LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, NCM90) that is confirmed by Rietveld refinement of neutron powder diffraction. Notably, the strengthened structural stability thanks to Hf gradient doping is firmly substantiated by in-situ X-ray diffraction and in-situ X-ray adsorption spectroscopy. This enhancement can be ascribed to the substantial atomic mass of Hf and large radius of Hf4+, facilitating the minimization of potential alterations of interlayer or intralayer. The intensified Hf-O bond significantly increases the formation energy of oxygen vacancies and efficiently restrains the detrimental Li+/Ni2+ disorder, thereby mitigating lattice oxygen loss and enhancing both cycling and thermal stability of high-nickel cathode. Consequently, the 0.3% Hf-doping cathode exhibits considerable improvement in electrochemical performance, delivering superior capacity retention of 95.0 % after 100 cycles at 1C (1 C = 200 mA g−1) and 83.9% after 500 cycles at 1C/5C in the voltage range of 3.0∼4.3 V. This work highlights the benefits of precise modulation strategy for high-nickel cathodes, offering a viable approach to enhance structural stability and electrochemical performance of high-nickel cathodes.
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