Elucidating and Mitigating High‐Voltage Degradation Cascades in Cobalt‐Free LiNiO2 Lithium‐Ion Battery Cathodes

材料科学 阴极 降级(电信) 钴 电解质 堆积 化学工程 电化学 离子 纳米技术 电极 电气工程 冶金 化学 物理化学 工程类 有机化学
作者
Kyu‐Young Park,Yizhou Zhu,Carlos G. Torres‐Castanedo,Hee Joon Jung,Norman S. Luu,Özgenur Kahvecioğlu,Yiseul Yoo,Jung‐Woo Seo,Julia R. Downing,Hee‐Dae Lim,Michael J. Bedzyk,Christopher Wolverton,Mark C. Hersam
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (3): e2106402-e2106402 被引量:111
标识
DOI:10.1002/adma.202106402
摘要

Abstract LiNiO2 (LNO) is a promising cathode material for next‐generation Li‐ion batteries due to its exceptionally high capacity and cobalt‐free composition that enables more sustainable and ethical large‐scale manufacturing. However, its poor cycle life at high operating voltages over 4.1 V impedes its practical use, thus motivating efforts to elucidate and mitigate LiNiO2 degradation mechanisms at high states of charge. Here, a multiscale exploration of high‐voltage degradation cascades associated with oxygen stacking chemistry in cobalt‐free LiNiO2, is presented. Lattice oxygen loss is found to play a critical role in the local O3–O1 stacking transition at high states of charge, which subsequently leads to Ni‐ion migration and irreversible stacking faults during cycling. This undesirable atomic‐scale structural evolution accelerates microscale electrochemical creep, cracking, and even bending of layers, ultimately resulting in macroscopic mechanical degradation of LNO particles. By employing a graphene‐based hermetic surface coating, oxygen loss is attenuated in LNO at high states of charge, which suppresses the initiation of the degradation cascade and thus substantially improves the high‐voltage capacity retention of LNO. Overall, this study provides mechanistic insight into the high‐voltage degradation of LNO, which will inform ongoing efforts to employ cobalt‐free cathodes in Li‐ion battery technology.
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