Intrinsic Role of Cationic Substitution in Tuning Li/Ni Mixing in High-Ni Layered Oxides

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作者
Dawei Wang,Chao Xin,Ming‐Jian Zhang,Jianming Bai,Jiaxin Zheng,Ronghui Kou,Jun Young Peter Ko,Ashfia Huq,Guiming Zhong,Cheng‐Jun Sun,Yong Yang,Zonghai Chen,Yinguo Xiao,Khalil Amine,Feng Pan,Feng Wang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (8): 2731-2740 被引量:104
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b04673
摘要

Nickel-rich transition-metal (TM) layered oxides, particularly those with high Ni content, attract worldwide interest for potential use as high-capacity cathodes in next-generation Li-ion batteries. However, as Ni loading increases, Li and Ni sitting at octahedra tend to mix, resulting in reduced electrochemical activity, which has been one major obstacle to their practical applications. Herein, we investigate the kinetic and thermodynamic aspects of Li/Ni mixing in LiNi0.7MnxCo0.3–xO2 (0 ≤ x ≤ 0.3) as they are synthesized, through quantitative determination of structural ordering and comparison to ab initio calculations. Results from this study elucidate the role of Co/Mn-substitution in tuning Li/Ni ordering, intrinsically through local magnetic interaction. Specifically, Co substitution facilitates Li/Ni ordering by relieving the intra-plane magnetic frustration and reducing the inter-plane super-exchange (SE) interaction; in contrast, Mn exacerbates magnetic frustration and strengthens SE, thereby aggravating Li/Ni mixing. These findings highlight the interplay between local magnetic interaction and cationic ordering, which has yet to be fully investigated for the needs of designing high-Ni layered cathodes and, broadly, TM-based oxides for various applications.
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