A bimetal strategy for suppressing oxygen release of 4.6V high-voltage single-crystal high-nickel cathode

材料科学 阴极 氧气 电解质 氧化物 电化学 溶解 化学物理 化学工程 分析化学(期刊) 电极 冶金 物理化学 有机化学 化学 工程类 色谱法
作者
Jinsai Tian,Guan Wang,Weihao Zeng,Jiawei Zhu,Weixi Tian,Shaojie Zhang,Yixin Zhang,Junjun Wang,Quan Li,Hongyu Zhao,Changhao Li,Xiangyu Li,Lei Chen,Shichun Mu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:68: 103344-103344 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103344
摘要

High-voltage cathode materials, such as single-crystal high-nickel layered oxide materials, are a necessary condition for achieving high energy density lithium-ion batteries, but they have to be accompanied by the structural instability and irreversible release of lattice oxygen during operation, posing serious safety hazards. Here, to solve the lattice oxygen release issue of single-crystal high-nickel cathode, we propose an improved strategy for overall cathode by synchronously addressing interface and lattice instability, ensuring stable operation at a high voltage up to 4.6 V. By Al-doping, in the bulk phase, we intensify the charge transfer between transition metals and oxygen, and the columnar effect caused by doped atoms effectively alleviates internal strain, thereby significantly limiting lattice shrinkage and then suppressing oxygen release. On the other hand, the protective layer of LiNbO3 as the fast ion conductor formed at the cathode interface suppresses parasitic reactions and hinders lattice oxygen loss caused by dissolution of transition metals. Therefore, after 200 cycles at a cut-off voltage of 4.6 V, our cathode material still maintains a capacity retention rate of 89.1%. Density functional theory (DFT) calculations predict the effective suppression of oxygen release for the modified cathode materials, which has been further confirmed by differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) tests. This work provides a new perspective for solving the problem of oxygen release under high cut-off voltage conditions for single crystal high nickel cathode.
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