High-Energy Ni-Rich LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2 Cathode Material for Li-Ion Batteries Enhanced by Nd- and Y-Doping. A Structural, Electrochemical, and Thermal Investigation

材料科学 电化学 阴极 掺杂剂 兴奋剂 热稳定性 电极 结构稳定性 离子 分析化学(期刊) 化学工程 物理化学 光电子学 化学 有机化学 色谱法 结构工程 工程类
作者
Yehonatan Levartovsky,Arup Chakraborty,Sooraj Kunnikuruvan,Sandipan Maiti,Judith Grinblat,M. Talianker,Doron Aurbach,Dan Thomas Major
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (9): 11142-11151 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c01731
摘要

Ni-rich LiNi 1– x – y Co x Mn y O 2 (1 – x – y > 0.5) (NCMs) cathode materials have shown great promise in energy-intensive applications, such as electric vehicles. However, as many layered cathodes do, they suffer from structural and electrochemical degradation during cycling. In this study, we show that Nd- and Y-doped materials, Li(Ni 0.85 Co 0.1 Mn 0.05 ) 0.995 Nd 0.005 O 2 and Li(Ni 0.85 Co 0.1 Mn 0.05 ) 0.995 Y 0.005 O 2, have significantly better structural, electrochemical, and thermal properties compared to the reference LiNi 0.85 Co 0.1 Mn 0.05 O 2 (NCM85) due to enhanced structural stability. The doped electrodes were found to have significantly higher specific discharge capacities, better capacity retention, and lower voltage hysteresis compared to the reference (undoped) electrodes. SEM images of the focused-ion beam (FIB) cut of the particles of the doped material showed that they have less cracks when compared with those of the reference material, thus demonstrating the tight connection between the structural and electrochemical properties of the cathodes. Furthermore, thermal studies of the cathode materials showed that doping with Nd or Y enhances the thermal stability of NCM85 compared to the reference material. Finally, using density functional theory we calculated several electronic and thermodynamic properties. These calculations suggest that dopant–oxygen bonds are stronger than M–oxygen bonds (M = Ni, Co, Mn), providing a rationale for the structural stability induced by Nd- and Y-doping.
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