Transition metal-doped Ni-rich layered cathode materials for durable Li-ion batteries

掺杂剂 阴极 材料科学 电化学 兴奋剂 过渡金属 电极 电池(电) 离子 化学工程 无机化学 化学 光电子学 物理化学 催化作用 有机化学 工程类 物理 功率(物理) 量子力学
作者
H. Hohyun Sun,Un‐Hyuck Kim,Jeonghyeon Park,Sang-Wook Park,Dong‐Hwa Seo,Adam Heller,C. Buddie Mullins,Chong Seung Yoon,Yang‐Kook Sun
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:314
标识
DOI:10.1038/s41467-021-26815-6
摘要

Doping is a well-known strategy to enhance the electrochemical energy storage performance of layered cathode materials. Many studies on various dopants have been reported; however, a general relationship between the dopants and their effect on the stability of the positive electrode upon prolonged cell cycling has yet to be established. Here, we explore the impact of the oxidation states of various dopants (i.e., Mg2+, Al3+, Ti4+, Ta5+, and Mo6+) on the electrochemical, morphological, and structural properties of a Ni-rich cathode material (i.e., Li[Ni0.91Co0.09]O2). Galvanostatic cycling measurements in pouch-type Li-ion full cells show that cathodes featuring dopants with high oxidation states significantly outperform their undoped counterparts and the dopants with low oxidation states. In particular, Li-ion pouch cells with Ta5+- and Mo6+-doped Li[Ni0.91Co0.09]O2 cathodes retain about 81.5% of their initial specific capacity after 3000 cycles at 200 mA g-1. Furthermore, physicochemical measurements and analyses suggest substantial differences in the grain geometries and crystal lattice structures of the various cathode materials, which contribute to their widely different battery performances and correlate with the oxidation states of their dopants.
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