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Systematic study of Co-free LiNi0.9Mn0.07Al0.03O2 Ni-rich cathode materials to realize high-energy density Li-ion batteries

阴极 电化学 离子 材料科学 电池(电) 化学工程 储能 高能 锂(药物) 纳米技术 工程物理 冶金 化学 电极 物理 物理化学 工程类 内分泌学 医学 功率(物理) 有机化学 量子力学
作者
Manojkumar Seenivasan,Chun‐Chen Yang,She‐Huang Wu,Jeng‐Kuei Chang,Rajan Jose
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:661: 1070-1081 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.02.040
摘要

The growing use of EVs and society's energy needs require safe, affordable, durable, and eco-friendly high-energy lithium-ion batteries (LIBs). To this end, we synthesized and investigated the removal of Co from Al-doped Ni-rich cathode materials, specifically LiNi0.9Co0.1Al0.0O2 (NCA-0), LiNi0.9Mn0.1Al0.0O2 (NMA-0), LiNi0.9Mn0.07Al0.03O2 (NMA-3), intending to enhance LIB performance and reduce the reliance on cobalt, a costly and scarce resource. Our study primarily focuses on how the removal of Co affects the material characteristics of Ni-rich cathode material and further introduces aluminum into the cathode composition to study its impacts on electrochemical properties and overall performance. Among the synthesized samples, we discovered that the NMA-3 sample, modified with 3 mol% of Al, exhibited superior battery performance, demonstrating the effectiveness of aluminum in promoting cathode stability. Furthermore, the Al-modified cathode showed promising cycle life under normal and high-temperature conditions. Our NMA-3 demonstrated remarkable capacity retention of ∼ 88 % at 25 °C and ∼ 81 % at 45 °C after 200 cycles at 1C, within a voltage range of 2.8–4.3 V, closely matching the performances of conventional NCM and NCA cathodes. Without cobalt, the cathodes exhibited increased cation disorder leading to inferior rate capabilities at high C-rates. In-situ transmission XRD analysis revealed that the introduction of Al has reduced the phase change and provided much-needed stability to the overall structure of the Co-free NMA-3. Altogether, the findings suggest that our aluminum-modified NMA-3 sample offers a promising approach to developing Co-free, Ni-rich cathodes, effectively paving the way toward sustainable, high-energy–density LIBs.
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