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Molten salt synthesis of Al‐substituted single‐crystal NCMA cathodes: synergistic mitigation of structural degradation and enhanced electrochemical stability

材料科学 化学工程 阴极 电化学 电化学动力学 三元运算 X射线光电子能谱 熔盐 容量损失 电解质 晶体结构 结构稳定性 润湿 层状结构 析氧 电极 接触角 相间 过渡金属 过电位 结晶 硫化物 降级(电信) Crystal(编程语言) 复合材料 电流密度
作者
Qi Guo,Yu Zhang,Jinhua Xu,Ting Li,Cuiqin Li
出处
期刊:Rare Metals [Springer Science+Business Media]
卷期号:44 (12): 9887-9904
标识
DOI:10.1007/s12598-025-03645-9
摘要

Abstract Nickel‐rich single‐crystal cathode materials are considered optimal candidates for next‐generation lithium‐ion batteries (LIBs) due to their combination of high‐energy density and crack‐resistant, grain boundary‐free structures. However, cyclic stress induces repetitive surface slip in single crystals, promoting the propagation of microcracks and exposing fresh crystal planes to the electrolyte. This accelerates interfacial reactions and corrosion, increasing charge transfer resistance and active material loss, ultimately degrading electrochemical performance. To address the slip‐related issues in single‐crystal materials, we have synthesized a single‐crystal quaternary cathode: LiNi 0.8 Co 0.08 Mn 0.06 Al 0.06 O 2 (SC‐NCMA), via a molten salt method. The effects of Al incorporation on suppressing lamellar slip and enhancing electrochemical performance are systematically investigated by comparing the characteristics of SC‐NCMA and ternary SC‐NCM. The experimental results show that SC‐NCMA retains 83.0% of its capacity after 200 cycles (2.7–4.3 V), significantly higher than the 66.5% capacity retention observed for SC‐NCM. In situ X‐ray diffraction (XRD) and X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses reveal that Al incorporation expands the (003) layer spacing, suppresses Li + /Ni 2+ mixing, and mitigates lattice distortion induced by the H2–H3 phase transition by reinforcing the Al–O bonds. Furthermore, Al 3+ not only optimizes Li + diffusion kinetics and reduces surface lattice oxygen loss but also facilitates the formation of a moderate‐thickness cathode‐electrolyte interphase (CEI) layer, enabling the pouch cell to achieve 89.1% capacity retention after 400 cycles. Overall, this work validates molten salt synthesis as a viable route for producing single‐crystal quaternary cathodes and elucidates Al’s dual stabilization mechanism—through both crystal structure modulation and interfacial passivation—offering strategic insights into the development of advanced nickel‐rich cathode systems.
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