Synergistic enhancement of Li-rich manganese-based cathode materials through single crystallization and in-situ spinel coating

材料科学 尖晶石 阴极 结晶 化学工程 微晶 涂层 Crystal(编程语言) 单晶 冶金 复合材料 结晶学 化学 程序设计语言 物理化学 工程类 计算机科学
作者
Lei Wang,Lei Xu,Weiran Xue,Qiu Fang,Huan Liu,Simin Liu,Kun Zhou,Yapei Li,Xuelong Wang,Xuefeng Wang,Xiukang Yang,Xiqian Yu,Xianyou Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:121: 109241-109241 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.109241
摘要

Lithium-rich manganese-based cathode (LRM) materials are considered the most promising cathode for the next-generation high-energy-density Li-ion batteries due to their high specific discharge capacity. However, the current mainstream LRM materials exhibit a polycrystalline morphology, and the degradation of this morphology during extended cycling exacerbates structural distortions, leading to poor cycle stability. Herein, a spinel phase encapsulated single-crystal LRM material with a particle size of about 500 nm is prepared through a simple molten-salt assistant solid-state synthesis method utilizing traditional polycrystalline LRM precursor, followed by boric acid treatment. Combined with various characterizations, the surface coating layer of obtained single-crystal LRM materials is identified as spinel Li4Mn5O12 with a thickness of about 5 nm, which effectively enhances Li+ diffusion kinetics. Benefited from the collaborative strategy of single crystallization and spinel coating which strength Li+ conduction and suppresses particle cracking, the single-crystal LRM materials achieve a specific discharge capacity of 296.3 mAh g−1 at 0.1 C (1 C = 250 mA g−1), yielding a capacity retention of 97.4% after 300 cycles at 1 C. This study offers a universal and easy industrial scale-up approach for developing single-crystal LRM cathode materials with long cycling stability, which promotes the commercial utilization of single-crystal LRM cathode.
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