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Single-Crystal Ni-Rich Layered LiNi0.9Mn0.1O2 Enables Superior Performance of Co-Free Cathodes for Lithium-Ion Batteries

法拉第效率 锂(药物) 阴极 材料科学 微晶 单晶 非阻塞I/O 结晶学 化学工程 电极 化学 阳极 冶金 物理化学 生物化学 催化作用 内分泌学 工程类 医学
作者
Pengpeng Dai,Xiangbang Kong,Huiya Yang,Jiyang Li,Jing Zeng,Jinbao Zhao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (14): 4381-4390 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c06704
摘要

Cobalt-free nickel-rich layered oxides are considered as promising next-generation cathode materials for lithium-ion batteries (LIBs) due to their high capacity and controllable costs. However, the inferior cycling stability makes their application questionable. Herein, polycrystalline LiNi0.9Mn0.1O2 (PC-NM91) and single crystal LiNi0.9Mn0.1O2 (SC-NM91) were prepared by mixing the precursor with LiOH·H2O (and Li2SO4·H2O for SC-NM91). SC-NM91 with complete structure, uniform morphology, and good dispersion was successfully synthesized. The initial discharge capacity and Coulombic efficiency of both samples were similar. However, the capacity retention of SC-NM91 was 85.3% after 300 cycles at 1 C, while PC-NM91 showed only 65.8% under the same conditions. The proposed SC-NM91 cathode has better cycle stability than PC-NM91, especially under severe cycle conditions (4.5 V, 2 C, and 60 °C). The enhanced performance of SC-NM91 can be ascribed to the stronger structure, which prevents intergranular cracks, surface pulverization, disordered phase transition, and interface side reactions. In addition, it has a lower degree of Li+/Ni2+ mixing and fast Li+ diffusivity. This study provides insight into the role of single crystal structure in mitigating the performance degradation of Co-free Ni-rich cathodes and reveals that SC-NM91 can be a commercially available cathode material for high-energy LIBs.
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