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Origin of structural degradation in Li-rich layered oxide cathode

阴极 材料科学 电压 电化学 电极 纳米技术 格子(音乐) 离子 氧化物 化学物理 化学 电气工程 物理 冶金 物理化学 工程类 有机化学 声学
作者
Tongchao Liu,Jiajie Liu,Luxi Li,Yu Lei,Jiecheng Diao,Tao Zhou,Shunning Li,Alvin Dai,Wenguang Zhao,Shenyang Xu,Yang Ren,Liguang Wang,Tianpin Wu,Rui Qi,Yinguo Xiao,Jiaxin Zheng,Wonsuk Cha,Ross Harder,Ian Robinson,Jianguo Wen,Jun Lü,Feng Pan,Khalil Amine
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:606 (7913): 305-312 被引量:279
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04689-y
摘要

Li- and Mn-rich (LMR) cathode materials that utilize both cation and anion redox can yield substantial increases in battery energy density1–3. However, although voltage decay issues cause continuous energy loss and impede commercialization, the prerequisite driving force for this phenomenon remains a mystery3–6 Here, with in situ nanoscale sensitive coherent X-ray diffraction imaging techniques, we reveal that nanostrain and lattice displacement accumulate continuously during operation of the cell. Evidence shows that this effect is the driving force for both structure degradation and oxygen loss, which trigger the well-known rapid voltage decay in LMR cathodes. By carrying out micro- to macro-length characterizations that span atomic structure, the primary particle, multiparticle and electrode levels, we demonstrate that the heterogeneous nature of LMR cathodes inevitably causes pernicious phase displacement/strain, which cannot be eliminated by conventional doping or coating methods. We therefore propose mesostructural design as a strategy to mitigate lattice displacement and inhomogeneous electrochemical/structural evolutions, thereby achieving stable voltage and capacity profiles. These findings highlight the significance of lattice strain/displacement in causing voltage decay and will inspire a wave of efforts to unlock the potential of the broad-scale commercialization of LMR cathode materials. Diffractive imaging of an important class of battery electrodes during cycling shows that lattice strain is a crucial yet overlooked factor that contributes to voltage fade over time.
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