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Mitigating kinetic hindrance of single-crystal Ni-rich cathodes through morphology modulation, nickel reduction, and lithium vacancy generation achieved by terbium doping

材料科学 空位缺陷 兴奋剂 阴极 单晶 价(化学) 化学工程 分析化学(期刊) 结晶学 化学 光电子学 物理化学 发光 工程类 有机化学 色谱法
作者
Jiyuan Jian,Shuang Lin,Guokang Han,Xianglian Zhan,Yinghui Shan,Rang Xiao,Ziwei Liu,Dandan Sun,Xiangwu Zhang,Qingjie Zhou,Geping Yin,Hua Huo,Yulin Ma,Pengjian Zuo,Xinqun Cheng,Chunyu Du
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:97: 566-574 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.06.015
摘要

Single crystallization has proven to be effective in enhancing the capacity and stability of Ni-rich LiNi1−x−yCoxMnyO2 (SNCM) cathode materials, particularly at high cut-off voltages. Nevertheless, the synthesis of high-quality single-crystal particles remains challenging because of severe particle agglomeration and irregular morphologies. Moreover, the limited kinetics of solid-phase Li+ diffusion pose a significant concern because of the extended diffusion path in large single-crystal particles. To address these challenges, we developed a Tb-doped single-crystal LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (SNCM-Tb) cathode material using a straightforward mixed molten salt sintering process. The Tb-doped Ni-rich single crystals presented a quasi-spherical morphology, which is markedly different from those reported in previous studies. Tb4+ doping significantly enhanced the dynamic transport of Li+ ions in the layered oxide phase by reducing the Ni valence state and creating Li vacancies. A SNCM-Tb material with 1 at% Tb doping shows a Li+ diffusion coefficient up to more than 9 times higher than pristine SNCM in the non-diluted state. In situ X-ray diffraction analysis demonstrated a significantly facilitated H1-H2-H3 phase transition in the SNCM-Tb materials, thereby enhancing their rate capacity and structural stability. SNCM-Tb exhibited a reversible capacity of 186.9 mA h g−1 at 5 C, retaining 94.6% capacity after 100 cycles at 0.5 C under a 4.5 V cut-off. Our study elucidates the Tb4+ doping mechanisms and proposes a scalable method for enhancing the performance of single-crystal Ni-rich NCM materials.
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