Cooperative structure of Li/Ni mixing and stacking faults for achieving high-capacity Co-free Li-rich oxides

堆积 混合(物理) 材料科学 化学工程 化学 物理 工程类 有机化学 量子力学
作者
Zhen Wu,Yuhan Zhang,Hao Wang,Zewen Liu,Xudong Zhang,Xin Dai,Kunyang Zou,Xiaoming Lou,Xuechen Hu,Lijing Ma,Yan Liu,Yongning Liu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:95: 315-324 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.03.050
摘要

Co-free Li-rich layered oxides (LLOs) are emerging as promising cathode materials for Li-ion batteries due to their low cost and high capacity. However, they commonly face severe structural instability and poor electrochemical activity, leading to diminished capacity and voltage performance. Herein, we introduce a Co-free LLO, Li1.167Ni0.222Mn0.611O2 (Cf-L1), which features a cooperative structure of Li/Ni mixing and stacking faults. This structure regulates the crystal and electronic structures, resulting in a higher discharge capacity of 300.6 mA h g−1 and enhanced rate capability compared to the typical Co-free LLO, Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 (Cf-Ls). Density functional theory (DFT) indicates that Li/Ni mixing in LLOs leads to increased Li-O-Li configurations and higher anionic redox activities, while stacking faults further optimize the electronic interactions of transition metal (TM) 3d and non-bonding O 2p orbitals. Moreover, stacking faults accommodate lattice strain, improving electrochemical reversibility during charge/discharge cycles, as demonstrated by the in situ XRD of Cf-L1 showing less lattice evolution than Cf-Ls. This study offers a structured approach to developing Co-free LLOs with enhanced capacity, voltage, rate capability, and cyclability, significantly impacting the advancement of the next-generation Li-ion batteries.
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