Cobalt-free composite-structured cathodes with lithium-stoichiometry control for sustainable lithium-ion batteries

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作者
Ke Chen,Pallab Barai,Özgenur Kahvecioğlu,Lijun Wu,Krzysztof Z. Pupek,Mingyuan Ge,Lu Ma,Steven N. Ehrlich,Hui Zhong,Yimei Zhu,Venkat Srinivasan,Jianming Bai,Feng Wang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-023-44583-3
摘要

Abstract Lithium-ion batteries play a crucial role in decarbonizing transportation and power grids, but their reliance on high-cost, earth-scarce cobalt in the commonly employed high-energy layered Li(NiMnCo)O 2 cathodes raises supply-chain and sustainability concerns. Despite numerous attempts to address this challenge, eliminating Co from Li(NiMnCo)O 2 remains elusive, as doing so detrimentally affects its layering and cycling stability. Here, we report on the rational stoichiometry control in synthesizing Li-deficient composite-structured LiNi 0.95 Mn 0.05 O 2 , comprising intergrown layered and rocksalt phases, which outperforms traditional layered counterparts. Through multiscale-correlated experimental characterization and computational modeling on the calcination process, we unveil the role of Li-deficiency in suppressing the rocksalt-to-layered phase transformation and crystal growth, leading to small-sized composites with the desired low anisotropic lattice expansion/contraction during charging and discharging. As a consequence, Li-deficient LiNi 0.95 Mn 0.05 O 2 delivers 90% first-cycle Coulombic efficiency, 90% capacity retention, and close-to-zero voltage fade for 100 deep cycles, showing its potential as a Co-free cathode for sustainable Li-ion batteries.
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