Probing the Thermal-Driven Structural and Chemical Degradation of Ni-Rich Layered Cathodes by Co/Mn Exchange

阴极 化学 热稳定性 化学稳定性 氧化物 离子交换 放热反应 化学工程 氧气 化学计量学 降级(电信) 离子 物理化学 有机化学 工程类 电信 计算机科学
作者
Xiang Liu,Gui‐Liang Xu,Liang Yin,Inhui Hwang,Yan Li,Languang Lu,Wenqian Xu,Xuequan Zhang,Yanbin Chen,Yang Ren,Cheng‐Jun Sun,Zonghai Chen,Minggao Ouyang,Khalil Amine
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (46): 19745-19753 被引量:153
标识
DOI:10.1021/jacs.0c09961
摘要

The intrinsic poor thermal stability of layered LiNixCoyMn1–x–yO2 (NCM) cathodes and the exothermic side reactions triggered by the associated oxygen release are the main safety threats for their large-scale implantation. In the NCM family, it is widely accepted that Ni is the stability troublemaker, while Mn has long been considered as a structure stabilizer, whereas the role of Co remains elusive. Here, via Co/Mn exchange in a Ni-rich LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 cathode, we demonstrate that the chemical and structural stability of the deep delithiated NCM cathodes are significantly dominated by Co rather than the widely reported Mn. Operando synchrotron X-ray characterization coupling with in situ mass spectrometry reveal that the Co4+ reduces prior to the reduction of Ni4+ and could thus prolong the Ni migration by occupying the tetrahedra sites and, hence, postpone the oxygen release and thermal failure. In contrast, the Mn itself is stable, but barely stabilizes the Ni4+. Our results highlight the importance of evaluating the intrinsic role of compositional tuning on the Ni-rich/Co-free layered oxide cathode materials to guarantee the safe operation of high-energy Li-ion batteries.
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