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High performance of Co-free LiNi Mn1-O2 cathodes realized by nonmagnetic ion substitution for Li-ion batteries

电化学 离子 阴极 材料科学 锂(药物) 降级(电信) X射线光电子能谱 化学 化学工程 电极 物理化学 有机化学 电信 医学 工程类 内分泌学 计算机科学
作者
Honglin Yan,Yuan Ha,Tao Ye,Xiaoya Gao,Xiangting Yue,Zhimin Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:465: 142926-142926 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142926
摘要

Ni-rich LiNixMn1-xO2 cathodes have been extensively probed to resolve the electrochemical performance degradation in the absence of Co3+ compared to LiNixCoyMn1-x-yO2 cathodes for lithium-ion batteries. Herein, LiNi0.6Mn0.4O2 (NM64) and a series of nonmagnetic Al3+ ions substituted NM64 cathode materials are designed and prepared via a sol–gel route. It is found that the inferior electrochemical performance of NM64 derives from the magnetic frustration arising from Mn ions and the unstable Mn3+ ions, which will lead to severe Li/Ni mixing, and weak structural and interfacial stabilities of the cathode. The superconducting quantum interference device (SQUID) analysis proves that the nonmagnetic Al3+ ion can lower the Li/Ni disorder in NM64 cathode by relieving magnetic frustration. Moreover, the dQ/dV and XPS analyses confirm that both structural and interfacial stabilities are enhanced for NM64 cathode owing to Al3+ substitution, contributing to fewer byproducts after a long cycle. Consequently, LiNi0.582Mn0.388Al0.03O2 cathode delivers a high discharging capacity of 179 mAh g−1 at 1.0C with a capacity retention of 87.6% after 100 cycles. This study not only gives an in-depth understanding of the mechanism of electrochemical performance degradation for NM64 cathode, but also demonstrates an efficient solving approach through Al3+ complementary substitution.
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