Enhancement of Structural, Electrochemical, and Thermal Properties of High-Energy Density Ni-Rich LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2 Cathode Materials for Li-Ion Batteries by Niobium Doping

材料科学 阴极 兴奋剂 热稳定性 电化学 掺杂剂 结构稳定性 离子 氧化物 化学工程 复合材料 物理化学 冶金 电极 光电子学 量子力学 结构工程 工程类 物理 化学
作者
Yehonatan Levartovsky,Arup Chakraborty,Sooraj Kunnikuruvan,Sandipan Maiti,Judith Grinblat,M. Talianker,Dan Thomas Major,Doron Aurbach
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (29): 34145-34156 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acsami.1c06839
摘要

Ni-rich layered oxide LiNi1 - x - yCoxMnyO2 (1 - x - y > 0.5) materials are favorable cathode materials in advanced Li-ion batteries for electromobility applications because of their high initial discharge capacity. However, they suffer from poor cycling stability because of the formation of cracks in their particles during operation. Here, we present improved structural stability, electrochemical performance, and thermal durability of LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2(NCM85). The Nb-doped cathode material, Li(Ni0.85Co0.1Mn0.05)0.997Nb0.003O2, has enhanced cycling stability at different temperatures, outstanding capacity retention, improved performance at high discharge rates, and a better thermal stability compared to the undoped cathode material. The high electrochemical performance of the doped material is directly related to the structural stability of the cathode particles. We further propose that Nb-doping in NCM85 improves material stability because of partial reduction of the amount of Jahn-Teller active Ni3+ ions and formation of strong bonds between the dopant and the oxygen ions, based on density functional theory calculations. Structural studies of the cycled cathodes reveal that doping with niobium suppresses the formation of cracks during cycling, which are abundant in the undoped cycled material particles. The Nb-doped NCM85 cathode material also displayed superior thermal characteristics. The coherence between the improved electrochemical, structural, and thermal properties of the doped material is discussed and emphasized.
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