Novel Low-Strain Layered/Rocksalt Intergrown Cathode for High-Energy Li-Ion Batteries

材料科学 阴极 离子 拉伤 化学工程 工程物理 复合材料 纳米技术 物理化学 化学 医学 内科学 工程类 有机化学
作者
Lifeng Xu,Shi Chen,Yuefeng Su,Xing Shen,Jizhuang He,Maxim Avdeev,Wang Hay Kan,Bin Zhang,Weifeng Fan,Lai Chen,Duanyun Cao,Yun Lu,Lian Wang,Meng Wang,Liying Bao,Liang Zhang,Ning Li,Feng Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (47): 54559-54567 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13858
摘要

Both layered- and rocksalt-type Li-rich cathode materials are drawing great attention due to their enormous capacity, while the individual phases have their own drawbacks, such as great volume change for the layered phase and low electronic and ionic conductivities for the rocksalt phase. Previously, we have reported the layered/rocksalt intergrown cathodes with nearly zero-strain operation, while the use of precious elements hinders their industrial applications. Herein, low-cost 3d Mn4+ ions are utilized to partially replace the expensive Ru5+ ions, to develop novel ternary Li-rich cathode material Li1+x[RuMnNi]1-xO2. The as-designed Li1.15Ru0.25Mn0.2Ni0.4O2 is revealed to have a layered/rock salt intergrown structure by neutron diffraction and transmission electron microscopy. The as-designed cathode exhibits ultrahigh lithium-ion reversibility, with 0.86 (231.1 mAh g-1) out of a total Li+ inventory of 1.15 (309.1 mAh g-1). The X-ray absorption spectroscopy and resonant inelastic X-ray scattering spectra further demonstrate that the high Li+ storage of the intergrown cathode is enabled by leveraging cationic and anionic redox activities in charge compensation. Surprisingly, in situ X-ray diffraction shows that the intergrown cathode undergoes extremely low-strain structural evolution during the charge-discharge process. Finally, the Mn content in the intergrown cathodes is found to be tunable, providing new insights into the design of advanced cathode materials for high-energy Li-ion batteries.
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