Compositional Gradient Design of Ni-Rich Co-Poor Cathodes Enhanced Cyclability and Safety in High-Voltage Li-Ion Batteries

材料科学 阴极 离子 电压 纳米技术 化学工程 光电子学 化学 电气工程 工程类 有机化学
作者
Wenshuai Guo,Haifeng Yu,Min Wang,Mingbo Wu,Ling Chen,Hao Jiang,Chunzhong Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (8): 8371-8380 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00974
摘要

Developing cost-effective high-voltage Ni-rich cathodes has reached a consensus to replace conventional ultrahigh Ni counterparts for high-energy Li-ion batteries, but more rigorous requirements are put forward for their mechanical and chemical stability. Herein, we report the design and synthesis of a full concentration gradient LiNi0.75Mn0.20Co0.05O2 cathode with a Mn-rich Ni-poor surface, which has been realized by in situ forming a PO43– gradient distribution to retard the transition-metal ions’ interdiffusion during the high-temperature lithiation process. This design mitigates the mechanical stress concentration at the source with high morphological integrity and refrains the lattice oxygen loss under 4.5 V high-voltage operation. After Li0.1B0.967PO4 is coated, the surface parasitic reactions are further ameliorated with stable interface chemistry. The resultant Ni-rich cathodes deliver a reversible capacity as high as 212.6 mAh g–1 at 2.7–4.5 V with an energy density of >800 Wh kg–1cathode, almost equivalent to the state-of-the-art Ni-content 90% cathodes at 2.7–4.3 V. In commercial-grade full cells, a superior cycle life of 80.5% capacity retention is achieved at 1C within 2.7–4.5 V after 1700 cycles, exhibiting promising opportunities in compositional gradient design for Ni-rich cathodes.
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