Insights into the Microstructural Engineering of Cobalt‐Free, High‐Nickel Cathodes Based on Surface Energy for Lithium‐Ion Batteries

材料科学 掺杂剂 锂(药物) 阴极 化学工程 表面工程 电解质 氧化钴 兴奋剂 微观结构 纳米技术 冶金 电极 光电子学 物理化学 医学 化学 工程类 内分泌学
作者
Youngjin Kim,Hanseul Kim,Woochul Shin,Eunmi Jo,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (21) 被引量:51
标识
DOI:10.1002/aenm.202204054
摘要

Abstract In order to reduce cost and increase energy density, it is critical to eliminate cobalt and increase nickel content in practical LiNi 1− x − y Mn x Co y O 2 (NMC) and LiNi 1− x − y Co x Al y O 2 (NCA) cathodes. However, the implementation of cobalt‐free, high‐nickel layered oxide cathodes in lithium‐ion batteries (LIBs) is hindered by the inherent issue of high surface reactivity with the electrolyte and microcrack formation during cycling. Herein, the origin of key parameters for microstructural engineering in cobalt‐free LiNiO 2 (LNO) is comprehensively investigated with two representative dopants, B and Al. A notable difference in the segregation energy between B and Al results in different morphologies of LNO particles. The low solubility of B into the host structure leads to a surface‐confined distribution of B, inhibiting the growth of primary particles, whereas the highly soluble Al facilitates primary particle growth. Recognition of this key parameter can help improve the cycle life of cobalt‐free LIBs via microstructural engineering by increasing the aspect ratio inside the cathode particle. It is demonstrated that boron‐doping in LNO (B‐LNO) is the most effective dopant strategy for microstructural engineering of the primary particles. The B‐LNO exhibits an excellent capacity retention of 81% in full cells after 300 cycles compared to both LNO and Al‐doped LNO (Al‐LNO).
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