Origin and regulation of oxygen redox instability in high-voltage battery cathodes

氧化还原 阴极 材料科学 氧气 电池(电) 电化学 化学工程 化学物理 纳米技术 化学 电极 功率(物理) 冶金 热力学 物理 工程类 物理化学 有机化学
作者
Xiang Liu,Gui‐Liang Xu,Venkata Surya Chaitanya Kolluru,Chen Zhao,Qingtian Li,Xinwei Zhou,Yuzi Liu,Liang Yin,Zengqing Zhuo,Amine Daali,Jingjing Fan,Wenjun Liu,Yang Ren,Wenqian Xu,Junjing Deng,Inhui Hwang,Dongsheng Ren,Xuning Feng,Cheng‐Jun Sun,Ling Huang,Tao Zhou,Ming Du,Zonghai Chen,Shi‐Gang Sun,Maria K. Y. Chan,Wanli Yang,Minggao Ouyang,Khalil Amine
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:7 (9): 808-817 被引量:89
标识
DOI:10.1038/s41560-022-01036-3
摘要

Oxygen redox at high voltage has emerged as a transformative paradigm for high-energy battery cathodes such as layered transition-metal oxides by offering extra capacity beyond conventional transition-metal redox. However, these cathodes suffer from voltage hysteresis, voltage fade and capacity drop upon cycling. Single-crystalline cathodes have recently shown some improvements, but these challenges remain. Here we reveal the fundamental origin of oxygen redox instability to be from the domain boundaries that are present in single-crystalline cathode particles. By investigating single-crystalline cathodes with different domain boundaries structures, we show that the elimination of domain boundaries enhances the reversible lattice oxygen redox while inhibiting the irreversible oxygen release. This leads to significantly suppressed structural degradation and improved mechanical integrity during battery cycling and abuse heating. The robust oxygen redox enabled through domain boundary control provides practical opportunities towards high-energy, long-cycling, safe batteries. Oxygen redox instability at high voltages hinders the application of high-energy battery cathodes. Here the authors report that elimination of domain boundaries in single-crystal cathodes improves the redox stability and consequently the electrochemical performance in extended high-voltage cycling.
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