Understanding electrochemical performance improvement with Nb doping in lithium-rich manganese-based cathode materials

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作者
Shengde Dong,Yuan Zhou,Chunxi Hai,Jinbo Zeng,Yanxia Sun,Yue Shen,Xiang Li,Xiufeng Ren,Chao Sun,Guotai Zhang,Zhaowei Wu
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:462: 228185-228185 被引量:134
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.228185
摘要

This study synthesizes pristine and Nb-doped lithium-rich manganese-based cathode materials by solvothermal and high-temperature solid-phase methods. Analysis by focused ion beam scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectrometry, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy indicates successful Nb doping into the material's bulk structure. Electrochemical evaluation reveals that electrochemical performance is significantly enhanced by Nb doping. The discharge capacity of Nb-0.02 can maintain 271.7 mAh·g−1, and its cycle retention rate is up to 98.50% after 300 cycles at 0.2C; however, under the same parameters, the pristine material's discharge capacity and cycle retention rate are 212.8 mAh·g−1 and 86.68%. The initial coulombic efficiency and initial discharge capacity of Nb-0.02 is 86.94% and 287.5 mAh·g−1, while that of the pristine material is 73.59% and 234.2 mAh·g−1. Density functional theory calculations demonstrate that Nb doping accelerates Li-ion diffusion and stabilizes material structure due to stronger Nb–O bonds from reduced Li-ion migration barrier energy. Thus, the proposed modification strategy for Nb doping can illuminate the structural design of lithium-rich manganese-based cathode materials.
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