Design Grain Boundary Strengthening Phase for Enhanced Stability and Ionic Conductivity in Nickel-Rich Cobalt-Free High-Entropy Layered Oxide Cathodes

材料科学 阴极 晶界 离子电导率 相(物质) 氧化物 离子键合 结构稳定性 复合材料 储能 电导率 粒度 化学稳定性 晶界强化 动能 边界(拓扑) 化学工程 纳米技术 相变 化学物理 相界 冶金 工程物理 晶粒生长 烧结 耐久性 能量密度 材料的强化机理 材料设计
作者
Xia Sun,Tingzhou Yang,Chunling Qin,Shufeng Jia,Yongguang Zhang,Xi Zhang,Qian Zhang,Hongwei Bi,Dan Luo,Zhongwei Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (16): 12616-12627
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c01776
摘要

High-entropy nickel-rich cobalt-free layered cathode materials have garnered attention for their high energy density in lithium–ion batteries, thanks to their impressive reversible capacity and enhanced structural stability. However, their thermodynamic stability is challenged by kinetic inhomogeneity during cycling, leading to strain mismatches and failure at grain boundaries. To address this, we propose a grain boundary engineering strategy that introduces a strengthening phase with both high mechanical strength and ionic conductivity. This phase reinforces grain boundaries by creating strong chemical bonds, buffering stresses, and facilitating rapid lithium–ion transport. As a result, our modified cathode exhibits a remarkable 1.75-fold increase in capacity retention over 400 cycles, and a pouch cell with 14.17 Ah capacity and 361.40 Wh kg–1 energy density shows stable cycling for more than 200 cycles. These findings highlight the potential of grain boundary engineering in high-entropy materials for developing next-generation cathodes for high-energy-density batteries.
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