Sb-Induced Coherent Twin-Phase Engineering for Structural Pinning and High-Voltage Stabilization of Ni-Rich Layered Cathodes

阴极 材料科学 格子(音乐) 氧气 化学物理 氧化物 结构稳定性 兴奋剂 离子 凝聚态物理 纳米技术 各向异性 化学工程 光电子学 晶体缺陷 纳米颗粒 相(物质) 结晶学 晶体结构
作者
Tian Jiang,Jun Chen,Ying Lei,Zhilin Tao,Jiaxin Li,Wenjing Han,Zheng Cheng,Bin Zhang,Jianying Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c02178
摘要

Abstract Ni-rich layered oxide cathodes received considerable research interest due to their high energy density, yet their cycling stability was severely limited by irreversible H2–H3 phase transition-induced lattice strain accumulation and lattice oxygen release, especially at high voltage. Here, we report a coherent twin-phase engineering strategy by doping trace antimony (Sb) to stabilize layered LiNi0.82Co0.12Mn0.06O2 (NCM) cathodes under deep delithiation. Aberration-corrected STEM reveals Sb-induced coherent twin phases that crystallographically connect layered and locally rocksalt-like domains while maintaining an intact layered oxygen framework. These coherent twin phases act as robust pinning interfaces that suppress irreversible H2–H3–induced c-axis contraction and mitigate anisotropic lattice stress during high-voltage cycling. Meanwhile, time-of-flight secondary ion mass spectrometry and theoretical calculations reveal that strengthened Sb–O bonding raises the oxygen-vacancy formation energy, stabilizing lattice oxygen and suppressing oxygen release, thereby preserving structural integrity and mitigating transition-metal dissolution. Benefiting from these synergistic stabilization effects, 0.75Sb-NCM exhibits a high discharge capacity of 209.61 mAh g–1 at 0.1 C and maintains 85.56% capacity retention after 200 cycles at 1 C within 2.8–4.5 V, significantly outperforming U-NCM (70.22%). This work highlights coherent twin phases as a robust structural pinning architecture for stabilizing Ni-rich layered cathodes at high states of charge.
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