Regulating the Unhybridized O 2p Orbitals of High‐Performance Li‐Rich Mn‐Based Layered Oxide Cathode by Gd‐Doping Induced Bulk Oxygen Vacancies

氧气 材料科学 氧化还原 氧化物 尖晶石 阴极 兴奋剂 化学工程 无机化学 物理化学 化学 光电子学 工程类 有机化学 冶金
作者
Jia Xu,Jing Wan,Wen Zhang,Yuyu Li,Fangyuan Cheng,Zexiao Cheng,Yue Xu,Shixiong Sun,Qing Li,Chun Fang,Jiantao Han
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (18) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/adfm.202214613
摘要

Abstract Li‐rich Mn‐based layered oxides (LRLOs) with ultrahigh specific capacities are promising cathode materials for high energy density lithium‐ion batteries. Nevertheless, severe irreversible oxygen release, structure degradation, capacity and voltage attenuation hinder their commercialization due to the uncontrollable oxygen redox chemistry originated from unhybridized O 2 p orbitals. Herein, a strategy to generate bulk oxygen vacancies is proposed. And bulk oxygen vacancies are constructed by lowering the formation energy of oxygen vacancies in LRLOs via Gd‐doping. The energy level and the amount of unhybridized O 2 p states are reduced to partly inhibit the oxygen redox activity. Surprisingly, the oxygen redox is not fully activated in the first cycle and is further activated in the second cycle. Moreover, the reduced oxygen redox activity significantly suppresses the oxygen release, lattice volume change, layered‐to‐spinel phase transition. As a result, the amount of oxygen gas release is reduced from 98.80 to ≈0 nmol mg −1 in the first cycle. Superior cycle stability of 90.4% capacity retention after 300 cycles and small voltage decay of only 1.013 mV per cycle are achieved. This study provides a valuable bulk oxygen vacancies strategy to regulate the unhybridized O 2 p orbitals for designing high‐performance Li‐rich Mn‐based layered oxide cathode materials.
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