Angew. Chem. :两相掺杂调控无钴富锂层状正极材料的晶格氧和结构稳定性

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在商业化的锂离子电池中,如何提高正极材料有限的容量是进一步提升其电池能量密度的急要攻克的挑战之一。与传统的、已经商业化的层状氧化物正极材料相比,富锂层状氧化物正极材料(LLOs)因为具有更高的理论比容量和能量密度而受到广泛关注。传统的层状氧化物正极材料的容量几乎全部依赖于结构中的过渡金属的氧化还原反应,而LLOs的容量不仅来源于过渡金属的氧化还原反应,而且其中可逆的阴离子(O2-)氧化还原也可提供电荷补偿。阴离子氧化还原的参与一方面为LLOs贡献了额外的容量,另一方面也造成了循环过程中结构的衰退和性能的下降,如LLOs中常见的电压衰退。


针对LLOs面临的以上问题,University of Adelaide的郭再萍教授, University of Wollongong的Wei Kong Pang教授以及University of Surrey 的Qiong Cai教授合作,通过在LLOs中参杂4d 元素Ru进行了对无钴LLOs的晶格氧的调控,提高了结构稳定性,实现了极低的电压衰退(<0.45 mV 每圈),同时结合中子衍射和一系列原位/非原位同步辐射表征技术,对LLOs在循环过程中的结构变化进行了深入分析。该工作首次报道了LLOs中由monoclinic behaviour向hexagonal behaviour的行为转变以及同时针对monoclinic和hexagonal的两相掺杂策略。 



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图1. (a) 所制备的Ru掺杂Li1.2Ni0.2Mn0.6O2(LNMO-0.03Ru)样品的SEM,(b) LNMO-0.03Ru的STEM图,(c) 元素分布图,(d, e) LNMO-0.03Ru中hexagonal相的STEM图以及相应的强度线性分析图,(f, g) LNMO-0.03Ru中hexagonal相的STEM图以及相应的强度线性分析图

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图2. (a, b)循环前后未掺杂LNMO的原位同步辐射XRD图和相应的晶格参数变化已经充放电曲线,(c, d)循环前后Ru掺杂NMO的原位同步辐射XRD图和相应的晶格参数变化已经充放电曲线

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图3. (a)首圈充放电曲线,(b) 倍率性能比较,(c)循环性能比较,(d, e) 循环过程中的电压衰退,(f) dQ/dV曲线比较。

文信息

Stabilizing Cobalt-free Li-rich Layered Oxide Cathodes through Oxygen Lattice Regulation by Two-phase Ru Doping

Yameng Fan, Dr. Emilia Olsson, Dr. Gemeng Liang, Dr. Zhijie Wang, Dr. Anita M. D'Angelo, Dr. Bernt Johannessen, Dr. Lars Thomsen, Dr. Bruce Cowie, Jingxi Li, Fangli Zhang, Dr. Yunlong Zhao, Dr. Wei Kong Pang, Dr. Qiong Cai, Prof. Zaiping Guo


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202213806




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