Complementary Effects of Mg and Cu Incorporation in Stabilizing the Cobalt-Free LiNiO2 Cathode for Lithium-Ion Batteries

材料科学 阴极 掺杂剂 化学工程 兴奋剂 氧化物 无机化学 冶金 物理化学 光电子学 化学 工程类
作者
Won Mo Seong,Arumugam Manthiram
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (39): 43653-43664 被引量:62
标识
DOI:10.1021/acsami.0c11413
摘要

Since the discovery of LiNiO2 several decades ago, a new era of electric vehicles demanding high-energy-density lithium-ion batteries (LIBs) has recently rebooted the interest in this cathode material to eliminate the dependence on expensive and scarcely available cobalt. However, LiNiO2 has been plagued by cycle instability, thermal instability, and air instability. We present here an exploration of the mutual interaction of magnesium and copper in stabilizing the cobalt-free LiNiO2 cathode. Although Mg doping is beneficial for the robustness of the bulk structure of LiNiO2, surface characterization results of Mg-doped LiNiO2 implies the need for further surface protection. To that end, we have incorporated Cu in addition to Mg in that Cu stabilizes the surface of Mg-doped LiNiO2 by forming a protective stable surface layer without harming the bulk. Notable variations of the surface residual lithium composition (LiLi2CO3/LiLiOH) along with the incorporation of stabilizers are also discussed. The harmony between Mg and Cu with as little as 0.5 atom % Mg and 0.3 atom % Cu significantly enhances the specific energy and cycle life of LiNiO2. This study demonstrates how the co-incorporation of optimal dopants can help stabilize both the bulk and surface and provides new insights toward developing cobalt-free layered oxide cathodes for high-energy-density LIBs.
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