Evolution of redox couples in Li- and Mn-rich cathode materials and mitigation of voltage fade by reducing oxygen release

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作者
Enyuan Hu,Xiqian Yu,Ruoqian Lin,Xuanxuan Bi,Jun Lü,Seong‐Min Bak,Kyung‐Wan Nam,Huolin L. Xin,Cherno Jaye,Daniel A. Fischer,Khalil Amine,Xiao‐Qing Yang
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:3 (8): 690-698 被引量:728
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0207-z
摘要

Voltage fade is a major problem in battery applications for high-energy lithium- and manganese-rich (LMR) layered materials. As a result of the complexity of the LMR structure, the voltage fade mechanism is not well understood. Here we conduct both in situ and ex situ studies on a typical LMR material (Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2) during charge–discharge cycling, using multi-length-scale X-ray spectroscopic and three-dimensional electron microscopic imaging techniques. Through probing from the surface to the bulk, and from individual to whole ensembles of particles, we show that the average valence state of each type of transition metal cation is continuously reduced, which is attributed to oxygen release from the LMR material. Such reductions activate the lower-voltage Mn3+/Mn4+ and Co2+/Co3+ redox couples in addition to the original redox couples including Ni2+/Ni3+, Ni3+/Ni4+ and O2−/O−, directly leading to the voltage fade. We also show that the oxygen release causes microstructural defects such as the formation of large pores within particles, which also contributes to the voltage fade. Surface coating and modification methods are suggested to be effective in suppressing the voltage fade through reducing the oxygen release. Voltage decay is a major problem in applications of high-energy Li- and Mn-rich layer-structured battery materials. Here, the authors report the evolution of redox couples as the origin of the voltage decay and discuss strategies to suppress the problem.
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