Diffusion-induced stress optimization by boosted surface Li-concentration for single-crystal Ni-rich layered cathodes

电解质 材料科学 离子 阴极 锂(药物) 扩散 电极 化学工程 分析化学(期刊) 化学 物理化学 热力学 物理 工程类 内分泌学 有机化学 医学 色谱法
作者
Yun Liu,Qi Wang,Lai Chen,Zhiming Xiao,Xinming Fan,Shuailing Ma,Lei Ming,Akhil Tayal,Bao Zhang,Feng Wu,Xing Ou
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:61: 40-53 被引量:85
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2022.10.021
摘要

Nickel-rich layered LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM, x ≥ 0.83) is considered as a promising cathode material for lithium-ion batteries (LIBs), owing to its satisfying specific energy. However, the undesired phase transformation from layered into rock-salt at the NCM surface will easily induce Li concentration gradient during cycling, which hinders the Li-ions diffusion and leads to the gradual accumulation of inner stress with the appearance of microcracks. Herein, we propose a surficial engineering strategy to promote the Li-ions transmission for single-crystalline LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (SCNCM) via Li1.3In0.3Ti1.7(PO4)3 (LITP) modification. It is noted that, as the fast Li-ion conductor, LITP can accelerate the Li-ions diffusion and alleviate the electrode–electrolyte side reaction simultaneously. More importantly, LITP can serve as the Li-ions regulator, ensuring the homogeneous distribution of Li-ions and minimizing the concentration difference at SCNCM surface. It can relieve the stress induced by the inconsistent Li-ions dispersion, which effectively decreases the degree of structural disordering and lattice mismatch at surface, eventually maintaining the high structure integrity during long-term cycling. As anticipated, even under the harsh testing conditions, the LITP modified SCNCM still can achieve a satisfied reversible capacity of 196.4 mAh g−1 under potential range of 2.75–4.6 V after 200 cycles at 25 °C in coin-type half-cells. Furthermore, it provides an extraordinary capacity retention of 88% in 2.75–4.3 V after 400 cycles at high temperature of 45 °C in pouch-type full-battery.
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