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Lattice Reordering from High-Valence Mo Segregation for High-Nickel Cobalt-Free Cathodes

阴极 材料科学 结构稳定性 格子(音乐) 电解质 电化学 离子 化学物理 微晶 不稳定性 结构变化 纳米技术 相变 晶体结构 表层 化学工程 高能 晶格常数 过渡金属 容量损失 结晶学 表面改性
作者
Zi Wang,Yumeng Wei,Xueke Wang,Yuting Chen,Yingying Chen,Youn-Sang Bae,Kyu-Min Ryoum,Yufei Zhao,H. Liu,Lingfei Zhao,Shijian Wang,Hongxun Yang,Hyung-Ho Park,Guoxiu Wang,Jinqiang Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (7): 6186-6199 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c20722
摘要

High-nickel cobalt-free cathodes are deemed promising candidates for next-generation lithium-ion batteries owing to their superior energy density, cost-effectiveness, and environmental benignity. However, their practical implementation is hindered by inherent structural instability and rapid capacity degradation. Herein, we develop a Mo/F cation–anion modified single-crystalline LiNi 0.8 Mn 0.2 O 2 cathode material (SC-MFNM) via a designed facile high-temperature solid-state synthesis route. During high-temperature calcination, the lattice strain induced by structural transition promotes the outward migration of Mo 6+ ions from the Ni-rich core to the surface region, leading to lattice reorganization and expansion of surface interplanar spacing. The resultant lattice gradient facilitates rapid ion transport from the electrolyte through the expanded surface lattice, while the compact inner lattice enables ordered ion insertion. Consequently, this structure effectively mitigates irreversible phase transitions and stabilizes the layered framework by suppressing cation mixing, while simultaneously preserving the high specific capacity to the Ni-rich layer core, offering an approach to improve the structural and electrochemical stability of the Ni-rich cathode. Benefiting from the structural merits, the SC-MFNM cathode exhibits exceptional cycling stability, delivering a reversible capacity of 164.9 mAh g –1 after 300 cycles at 1.0 C compared with the lower capacity of 51.5 mAh g –1 from the polycrystalline cathode. This work demonstrates the importance of lattice regulation and structural evolution in improving the structural and electrochemical stability of high-nickel cobalt-free cathodes, contributing significantly to the development of high-energy-density lithium-ion batteries with long-term cycling durability.
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