Structure and Interface Design Enable Stable Li-Rich Cathode

电解质 阴极 化学 法拉第效率 氧化物 氧化还原 相间 过渡金属 化学工程 氧气 分解 金属 电极 无机化学 离子 物理化学 催化作用 有机化学 生物 工程类 遗传学
作者
Chunyu Cui,Xiulin Fan,Xiuquan Zhou,Ji Chen,Sheng Wang,Lu Ma,Chongyin Yang,Enyuan Hu,Xiao‐Qing Yang,Chunsheng Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (19): 8918-8927 被引量:170
标识
DOI:10.1021/jacs.0c02302
摘要

Li-rich layered-oxide cathodes have the highest theoretical energy density among all the intercalated cathodes, which have attracted intense interests for high-energy Li-ion batteries. However, O3-structured layered-oxide cathodes suffer from a low initial Coulombic efficiency (CE), severe voltage fade, and poor cycling stability because of the continuous oxygen release, structural rearrangements due to irreversible transition-metal migration, and serious side reactions between the delithiated cathode and electrolyte. Herein, we report that these challenges are migrated by using a stable O2-structured Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2 (O2-LR-NCM) and all-fluorinated electrolyte. The O2-LR-NCM can restrict the transition metals migrating into the Li layer, and the in situ formed fluorinated cathode-electrolyte interphase (CEI) on the surface of the O2-LR-NCM from the decomposition of all-fluorinated electrolyte during initial cycles effectively restrains the structure transition, suppresses the O2 release, and thereby safeguards the transition metal redox couples, enabling a highly reversible and stable oxygen redox reaction. O2-LR-NCM in all fluorinated electrolytes achieves a high initial CE of 99.82%, a cycling CE of >99.9%, a high reversible capacity of 278 mAh/g, and high capacity retention of 83.3% after 100 cycles. The synergic design of electrolyte and cathode structure represents a promising direction to stabilize high-energy cathodes.
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