Concentration-Gradient Nb-Doping in a Single-Crystal LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 Cathode for High-Rate and Long-Cycle Lithium-Ion Batteries

材料科学 阴极 电解质 溶解 铌 扩散 氧化物 电化学 化学工程 分析化学(期刊) 化学物理 无机化学 电极 物理化学 冶金 热力学 物理 工程类 化学 色谱法
作者
Wu Hai,Xing Zhou,Chao Yang,Dawei Xu,Yu-Hui Zhu,Tengfei Zhou,Sen Xin,Ya You
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 18828-18835 被引量:54
标识
DOI:10.1021/acsami.2c23076
摘要

Single-crystalline nickel-rich layered oxides are promising cathode materials for building high-energy lithium-ion batteries because of alleviated particle cracking and irreversible phase transitions upon cycling, compared with their polycrystalline counterparts. Under a high state of charge, parasitic reactions tend to occur at the cathode–electrolyte interface, which could result in sluggish Li-ion diffusion kinetics and quickly faded electrochemical performance of cathodes. In this work, a concentration-gradient niobium-doping strategy was applied to modify the single-crystal LiNi 0.83 Co 0.12 Mn 0.05 O 2 cathode, with Nb concentration decreasing linearly from the surface to the core of the particle. As a result, the Nb-rich surface functions as an electrochemically active protective layer against electrolyte corrosion and transition metal dissolution, while the Nb-deficient core contributes to a higher capacity. The linear concentration gradient also minimizes structural transition from the surface to the core and helps to maintain structural integrity during repeated Li (de)intercalation. In addition, Nb-doping also assists to alleviate Li + /Ni 2+ mixing and increases the interlayer distance to enable faster Li-ion diffusion kinetics. By taking these advantages, the Nb-doped cathode materials (containing 1.0 atom% Nb) demonstrate a high reversible capacity, a high capacity retention, and improved rate capabilities. This work provides a general and facile approach to improve the storage performance of layered-oxide cathode materials by rationally tuning the bulk structure and interface with the electrolyte.
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