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Parasitic structure defect blights sustainability of cobalt-free single crystalline cathodes

阴极 微晶 材料科学 电化学 纳米技术 容量损失 化学工程 电极 化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Yu Lei,Alvin Dai,Tao Zhou,Weiyuan Huang,Jing Wang,Tianyi Li,Xinyou He,Lu Ma,Xianghui Xiao,Mingyuan Ge,Rachid Amine,Steven N. Ehrlich,Xing Ou,Jianguo Wen,Tongchao Liu,Khalil Amine
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-55235-5
摘要

Abstract Recent efforts to reduce battery costs and enhance sustainability have focused on eliminating Cobalt (Co) from cathode materials. While Co-free designs have shown notable success in polycrystalline cathodes, their impact on single crystalline (SC) cathodes remains less understood due to the significantly extended lithium diffusion pathways and the higher-temperature synthesis involved. Here, we reveal that removing Co from SC cathodes is structurally and electrochemically unfavorable, exhibiting unusual voltage fade behavior. Using multiscale diffraction and imaging techniques, we identify lithium-rich nanodomains (LRNDs) as a heterogeneous phase within the layered structure of Co-free SC cathodes. These LRNDs act as critical tipping points, inducing significant chemo-mechanical lattice strain and irreversible structural degradation, which exacerbates the voltage and capacity loss in electrochemical performance. Our findings highlight the considerable challenges of developing Co-free SC cathodes compared to polycrystalline ones and emphasize the need for new strategies to balance the interplay between cost, sustainability, and performance.

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