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Borate modified Co-free LiNi0.5Mn1.5O4 cathode material: A pathway to superior interface and cycling stability in LNMO/graphite full-cells

石墨 自行车 材料科学 阴极 化学工程 碳纤维 化学 复合材料 物理化学 有机化学 工程类 考古 复合数 历史
作者
Umair Nisar,Joachim Bansmann,Marco Hebel,Benedikt Reichel,Marilena Mancini,Margret Wohlfahrt‐Mehrens,Markus Hölzle,Peter Axmann
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:493: 152416-152416 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.152416
摘要

Cobalt-free LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) holds great promise as a next-generation cathode material for high-energy and high-power density lithium-ion batteries (LIBs), making it a key contender for large-scale energy storage systems (ESS) and transportation applications. Despite its potential, the commercial utilization of LNMO has been impeded by its rapid capacity deterioration attributed to an unstable LNMO/electrolyte interface caused by the intrinsically high operating voltage of LNMO. Here, we present a pragmatic and scalable strategy to improve the LNMO/electrolyte interface through borate-based surface coating of the LNMO. Optimizing the coating process yielded high-rate capability and stable LNMO/electrolyte interface analyzed by extended float tests. Borate-LNMO materials show superior cycling stability at 25 °C and 45 °C, attributed to a robust cathode electrolyte interphase (CEI) formation. The bare LNMO and 0.25-B2O3-LNMO demostrated a cycling stability of around 41.20 % and 62.50 % respectively after 1000 cycles in LNMO/graphite full-cells. Post-mortem X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis revealed fewer side reaction products on borate-LNMO cathodes compared to bare LNMO. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) revealed a thicker and denser solid-electrolyte interphase (SEI) layer on cycled graphite anodes from bare LNMO cells, while a thin and robust SEI was observed on graphite from borate-LNMO cells. Finally, we have conclusively demonstrated that the primary aging mechanism in LNMO/graphite full cells stems from the instability at the LNMO/electrolyte or/and graphite/electrolyte interface, rather than material-related degradation phenomenon. These compelling outcomes underscore the potential of cathode material surface coating in general and especially of borate coating on LNMO as a promising and cost-effective enabler for the use of LNMO in next-generation LIBs.

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