Fast and Trap-Minimized Li Transport via Size-Mismatch-Driven Cation-Ordering Control in Li-Excess Disordered Rocksalt Cathodes

阴极 材料科学 离子键合 化学物理 混合(物理) 理论(学习稳定性) 电压 阳离子聚合 密度泛函理论 能量密度 活化能 电流密度 静电学 离子 结构稳定性 光电子学 纳米技术 电荷(物理) 化学工程 能量(信号处理)
作者
Jinho Ahn,Bonyoung Ku,Hyunji Kweon,Hoseok Lee,Hobin Ahn,Myungeun Choi,Myeong Hwan Lee,Moonsu Yoon,Junghyun Choi,Jihyun Hong,Jongsoon Kim
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (13): 10556-10569 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c22044
摘要

Li-excess cation-disordered rocksalt (DRX) is considered a promising cathode for lithium-ion batteries owing to its high-energy densities. However, short-range cation ordering (SRCO) commonly arises in DRX cathodes due to local electrostatic interactions and size similarities among cations, resulting in Li-trapping and sluggish Li-transport. Here, we propose that the SRCO suppression in the DRX system can be achieved without complex high-entropy composition by simultaneously tuning electrostatic interactions and the cationic size effect. The incorporation of Ti 4+ into Li–Nb/Mn DRX, being lower-valent and smaller than Nb 5+, weakens high-valence-driven interactions and increases the ionic size mismatch with Li +, thereby promoting Li/TM mixing and energetically disfavoring the SRCO formation. Thus, a low-entropy DRX, Li 1.2 Nb 0.15 Mn 0.55 Ti 0.1 O 2 (LNM-0.1Ti) exhibits significantly enhanced Li + transport, reduced voltage hysteresis, and improved structural stability compared to Li 1.2 Nb 0.2 Mn 0.6 O 2 (LNM) due to disruption of SRCO. LNM-0.1Ti delivers a high capacity of ∼327 mAh g –1 and an energy density of ∼1026 Wh kg –1, outperforming LNM (∼274 mAh g –1, ∼837 Wh kg –1 ). Notably, the higher-Ti composition, Li 1.2 Nb 0.1 Mn 0.5 Ti 0.2 O 2, exhibits reduced rate capability and energy density compared with LNM-0.1Ti, underscoring the importance of compositional balance in optimizing low-entropy DRX performance. These findings highlight a practical strategy for the development of high-performance DRX cathodes.
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