Concentration-Gradient Nb-Doping in a Single-Crystal LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 Cathode for High-Rate and Long-Cycle Lithium-Ion Batteries

材料科学 阴极 电解质 溶解 扩散 氧化物 电化学 化学工程 分析化学(期刊) 化学物理 无机化学 电极 物理化学 冶金 热力学 化学 物理 色谱法 工程类
作者
Wu Hai,Xing Zhou,Chao Yang,Dawei Xu,Yuhui Zhu,Tengfei Zhou,Sen Xin,Ya You
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 18828-18835 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.2c23076
摘要

Single-crystalline nickel-rich layered oxides are promising cathode materials for building high-energy lithium-ion batteries because of alleviated particle cracking and irreversible phase transitions upon cycling, compared with their polycrystalline counterparts. Under a high state of charge, parasitic reactions tend to occur at the cathode-electrolyte interface, which could result in sluggish Li-ion diffusion kinetics and quickly faded electrochemical performance of cathodes. In this work, a concentration-gradient niobium-doping strategy was applied to modify the single-crystal LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 cathode, with Nb concentration decreasing linearly from the surface to the core of the particle. As a result, the Nb-rich surface functions as an electrochemically active protective layer against electrolyte corrosion and transition metal dissolution, while the Nb-deficient core contributes to a higher capacity. The linear concentration gradient also minimizes structural transition from the surface to the core and helps to maintain structural integrity during repeated Li (de)intercalation. In addition, Nb-doping also assists to alleviate Li+/Ni2+ mixing and increases the interlayer distance to enable faster Li-ion diffusion kinetics. By taking these advantages, the Nb-doped cathode materials (containing 1.0 atom% Nb) demonstrate a high reversible capacity, a high capacity retention, and improved rate capabilities. This work provides a general and facile approach to improve the storage performance of layered-oxide cathode materials by rationally tuning the bulk structure and interface with the electrolyte.
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