Seesaw Effect of Substitutional Point Defects on the Electrochemical Performance of Single-Crystal LiNiO2 Cathodes

材料科学 电化学 离子 阴极 晶体缺陷 锂(药物) 空位缺陷 降级(电信) 氧化物 化学物理 化学工程 化学 结晶学 冶金 电极 物理化学 电子工程 医学 有机化学 工程类 内分泌学
作者
Leonhard Karger,Svetlana Korneychuk,Wessel van den Bergh,Sören L. Dreyer,Ruizhuo Zhang,Aleksandr Kondrakov,Jürgen Janek,Torsten Brezesinski
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (3): 1497-1512 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02727
摘要

Layered oxide cathode materials, such as LiNiaCobMncO2 or LiNiaCobAlcO2, are sought after mainly because of their high theoretical specific capacity. Especially those with a high nickel content are being pursued to increase capacity and lower costs. In these materials, substitutional defects are a common feature and are typically associated with poor overall quality. Herein, we employ a sodium-to-lithium ion exchange to produce LiNiO2 (LNO) without such characteristic defects. Three different methods are used to tailor the primary particle (grain) size over a broad range, and each material is subjected to electrochemical testing. By analyzing the initial charge/discharge profiles, we separate kinetic hindrance and structural degradation as two independent contributions to the first-cycle capacity loss. We find that the NiLi• point defects stabilize LNO at high potentials and help mitigate material degradation while leading to incomplete discharge. The kinetic hindrance at the end of discharge vanishes upon their removal, but the degradation at high states of charge becomes more pronounced. We examine the cause of material degradation and corroborate the results by artificially introducing pillaring Mg2+ ions through a novel dual-ion exchange as a model system for nickel substitutional defects. This methodology may be exploited to identify an optimal concentration of pillar ions, especially in a range of defect densities that are inaccessible by conventional solid-state synthesis.
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