Eliminating lattice collapse in dopant-free LiNi0.9Mn0.1O2 cathodes via electrochemically induced partial cation disorder

阴极 材料科学 氧化物 电化学 格子(音乐) 离子 氧气 部分氧化 电压 收缩率 磁滞 化学工程 化学物理 电池(电) 氧化还原 晶格常数 凝聚态物理 分压 储能 电极 纳米技术 热膨胀
作者
Junghwa Lee,Zhelong Jiang,Nicolas Liang,Jin Hwan Kwak,Howie Nguyen,Grace M. Busse,Yiseul Yoo,Hari Ramachandran,Kipil Lim,Peter M. Csernica,Tianyi Li,Xin Xu,Kyung Yoon Chung,Kathrin Michel,Joop Enno Frerichs,William E. Gent,Raphaële J. Clément,Jungjin Park,William C. Chueh
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1): 87-97 被引量:45
标识
DOI:10.1038/s41560-025-01910-w
摘要

Abstract Virtually all layered oxide positive electrodes (cathodes) for lithium-ion batteries exhibit abrupt shrinkage along the c lattice ( c -collapse) at high states-of-charge, limiting cycle life. In this work, we suppress c -collapse by electrochemically inducing partial disorder permanently throughout the bulk of compositionally-simple LiNi 0.9 Mn 0.1 O 2 . Our approach leverages irreversible oxygen oxidation in the as-synthesized Li-excess Ni-rich oxides to activate partial disordering of the cation sublattice, while preserving the long-range layered structure. Using this method, Li-stoichiometric transition metal oxides with variable extents of cation disorder are readily fabricated by adjusting the starting Li-excess in the as-synthesized materials. Surprisingly, at a TM Li concentration of ≥12%, the c lattice parameter remains nearly invariant during (de)lithiation, leading to decreased chemical strain, enhanced microstructural integrity, and improved battery cycle life. We demonstrate a combination of high specific capacity and long cycle life, along with negligible voltage hysteresis and decay. This concept opens the opportunity for designing materials by inducing persistent intrinsic disorder electrochemically.
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