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Revealing multiscale competing processes in the solid-state synthesis of single-crystalline layered oxide positive electrodes

材料科学 电极 纳米技术 氧化物 石墨烯 纳米颗粒 光电子学 纳米结构 纳米尺度 化学工程
作者
Zhichen Xue,Tianxiao Sun,Sreevishnu Oruganti,Xiaojing Huang,Dilworth Y. Parkinson,Yong S. Chu,P. Pianetta,Mingyuan Ge,Yijin Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70607-9
摘要

Solid-state synthesis involves a web of coupled chemical reactions and physical changes that unfold across multiple scales. Efforts to fine-tune its parameters have historically followed heuristic, trial-driven workflows that demand significant time and resources. In this study, we aimed to open this black box by employing multiscale in situ synchrotron imaging and diffraction. Using LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 battery positive electrode material as a model system and Ba-based sintering aids, we reveal dopant segregation, intergranular mass transport, and porosity evolution as key drivers of single-crystalline particle formation. Notably, we uncovered a dynamic competition between particle-level grain coalescence and atomic-scale cation disordering, both of which are thermally activated yet have opposing impacts on battery performance. These findings highlight the coupled, multiscale nature of structure development and offer a mechanistic basis for optimizing the solid-state synthesis process. This framework provides a path toward more controlled, efficient, and scalable production of high-performance battery positive electrode materials. Solid-state synthesis of single-crystalline battery cathodes is widely used but remains poorly understood. Here, authors reveal competing multiscale chemical and structural processes during sintering that are crucial for understanding structure–property relationships and guiding materials optimization.
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