Chemomechanically Stable Ultrahigh-Ni Single-Crystalline Cathodes with Improved Oxygen Retention and Delayed Phase Degradations

阴极 材料科学 容量损失 相(物质) 化学工程 微晶 降级(电信) 冶金 阳极 化学 电极 物理化学 电气工程 工程类 有机化学
作者
Chunyang Wang,Rui Zhang,Carrie Siu,Mingyuan Ge,Kim Kisslinger,Young Ho Shin,Huolin L. Xin
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (22): 9797-9804 被引量:75
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c03852
摘要

The pressing demand in electrical vehicle (EV) markets for high-energy-density lithium-ion batteries (LIBs) requires further increasing the Ni content in high-Ni and low-Co cathodes. However, the commercialization of high-Ni cathodes is hindered by their intrinsic chemomechanical instabilities and fast capacity fade. The emerging single-crystalline strategy offers a promising solution, yet the operation and degradation mechanism of single-crystalline cathodes remain elusive, especially in the extremely challenging ultrahigh-Ni (Ni > 90%) regime whereby the phase transformation, oxygen loss, and mechanical instability are exacerbated with increased Ni content. Herein, we decipher the atomic-scale stabilization mechanism controlling the enhanced cycling performance of an ultrahigh-Ni single-crystalline cathode. We find that the charge/discharge inhomogeneity, the intergranular cracking, and oxygen-loss-related phase degradations that are prominent in ultrahigh-Ni polycrystalline cathodes are considerably suppressed in their single-crystalline counterparts, leading to improved chemomechanical and cycling stabilities of the single-crystalline cathodes. Our work offers important guidance for designing next-generation single-crystalline cathodes for high-capacity, long-life LIBs.
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