Relieving Stress Concentration through Anion–Cation Codoping toward Highly Stable Nickel-Rich Cathode

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作者
Yu Zhou,Hanwei Zhang,Yinglei Wang,Tao Wan,Peiyuan Guan,Xindong Zhou,Xuri Wang,Yi-Chang Chen,Hancheng Shi,Aichun Dou,Mingru Su,Ruiqiang Guo,Yunjian Liu,Liming Dai,Dewei Chu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (20): 20621-20633 被引量:95
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c07655
摘要

Nickel-rich LiNi0.8Co0.15Al0.015O2 (NCA) with excellent energy density is considered one of the most promising cathodes for lithium-ion batteries. Nevertheless, the stress concentration caused by Li+/Ni2+ mixing and oxygen vacancies leads to the structural collapse and obvious capacity degradation of NCA. Herein, a facile codoping of anion (F-)-cation (Mg2+) strategy is proposed to address these problems. Benefiting from the synergistic effect of F- and Mg2+, the codoped material exhibits alleviated Li+/Ni2+ mixing and demonstrates enhanced electrochemical performance at high voltage (≥4.5 V), outperformed the pristine and F-/Mg2+ single-doped counterparts. Combined experimental and theoretical studies reveal that Mg2+ and F- codoping decreases the Li+ diffusion energy barrier and enhances the Li+ transport kinetics. In particular, the codoping synergistically suppresses the Li+/Ni2+ mixing and lattice oxygen escape, and alleviates the stress-strain accumulation, thereby inhibiting crack propagation and improving the electrochemical performance of the NCA. As a consequence, the designed Li0.99Mg0.01Ni0.8Co0.15Al0.05O0.98F0.02 (Mg1+F2) demonstrates a much higher capacity retention of 82.65% than NCA (55.69%) even after 200 cycles at 2.8-4.5 V under 1 C. Furthermore, the capacity retention rate of the Mg1+F2||graphite pouch cell after 500 cycles is 89.6% compared to that of the NCA (only 79.4%).
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