Single-dopant long-range stabilization in long-cycled Li-rich layered cathodes via trace tetrahedral-site doping

掺杂剂 兴奋剂 四面体 材料科学 阴极 航程(航空) 跟踪(心理语言学) 光电子学 矿物学 结晶学 化学 复合材料 物理化学 语言学 哲学
作者
Haoxiang Sun,Youxuan Ni,Xinyao Wu,Dongjie Shi,Zhenhua Yan,Kai Zhang,Fangyi Cheng,Weiwei Xie,Wei Zhang,Jun Chen
出处
期刊:eScience [Elsevier]
卷期号:5 (6): 100406-100406 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.esci.2025.100406
摘要

Migration of transition metal (TM) ions out of the TM layer is detrimental and unavoidable in lithium-rich layered oxides, which drives in-plane cation migration, O 2 release and energy loss. Since out-of-plane migration generally occurs through tetrahedral interstices (T Li ) in the Li layer, doping T Li sites has been believed as a promising way to block migration pathways at the dopant site. However, with only trace dopants (<1 ​at.%) sparsely distributed in bulk, the ability of isolated dopants to suppress cation disorder in undoped regions remains unknown—largely due to no suitable model materials. Here, combining atomic-scale imaging, X-ray diffraction measurements and first-principles calculations, we demonstrate that W 6+ ions (0.75 ​at.%) can occupy T Li sites in Li 1 · 2 Mn 0·6 Ni 0·2 O 2 . T Li -site doping maximizes dopant efficiency, as each single W 6+ ion exerts a long-range Coulomb repulsion on TM/Li + ions in the TM layer, suppressing both in-plane and out-of-plane cation migration over a broad range (∼2 ​nm diameter), in contrast to local stabilization via other doping techniques. Remarkably, cation ordering is preserved for over 250 cycles, far exceeding the limited structural stability (∼50 cycles) typically achieved with conventional modification strategies. Consequently, O 2 release and formation of low-voltage Mn 3+ /Mn 4+ redox couple are inhibited, resulting in negligible voltage decay. • W 6+ doping at tetrahedral sites is visualized at the atomic scale. • Cation ordering in 0.75 ​at.% W 6+ -doped Li-rich cathode is maintained over 250 cycles. • The long-range Coulomb repulsion of W 6+ ions enables trace doping to exert a broad stabilizing effect. • 0.75 ​at.% W 6+ -doped Li-rich cathode exhibits negligible voltage decay.
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