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High performance doped Li-rich Li1+xMn2–xO4 cathodes nanoparticles synthesized by facile, fast, and efficient microwave-assisted hydrothermal route

  • Li-rich nanoparticles of Li1+xMn2–xO4 doped with Al, Co, or Ni are successfully synthesized using a facile, fast, and efficient microwave-assisted hydrothermal route. Synchrotron X-ray diffraction confirms the formation of the crystalline cubic spinel phase type. X-ray absorption spectroscopy analysis at the Co and Ni K- and L-edges verifies that the dopants are within the Li1+xMn2–xO4 spinel structure and are inactive during cycling in the bulk and at the surface. Moreover, we demonstrate that nanocrystallinity and cationic doping play an important role in improving the electrochemical performance with respect to LiMn2O4 microparticles. They significantly reduce the charge-transfer resistance, lower the first cycle irreversible capacity loss to 6%, and achieve a capacity retention between 85 and 90% after 380 cycles, with excellent Coulombic efficiency close to 99% without compromising the specific charge at a 5C cycling rate. Furthermore, the Mn K- and L-edges attest that after longLi-rich nanoparticles of Li1+xMn2–xO4 doped with Al, Co, or Ni are successfully synthesized using a facile, fast, and efficient microwave-assisted hydrothermal route. Synchrotron X-ray diffraction confirms the formation of the crystalline cubic spinel phase type. X-ray absorption spectroscopy analysis at the Co and Ni K- and L-edges verifies that the dopants are within the Li1+xMn2–xO4 spinel structure and are inactive during cycling in the bulk and at the surface. Moreover, we demonstrate that nanocrystallinity and cationic doping play an important role in improving the electrochemical performance with respect to LiMn2O4 microparticles. They significantly reduce the charge-transfer resistance, lower the first cycle irreversible capacity loss to 6%, and achieve a capacity retention between 85 and 90% after 380 cycles, with excellent Coulombic efficiency close to 99% without compromising the specific charge at a 5C cycling rate. Furthermore, the Mn K- and L-edges attest that after long cycling, the Mn oxidation state in the bulk differs from that at the surface caused by the Mn disproportion reaction; however, the cationic doping helps mitigate the Mn dissolution with respect to the undoped Li1+xMn2–xO4 nanoparticles, as indicated by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:J. B. Falqueto, A. H. Clark, A. Štefančič, Glen Jacob SmalesORCiD, C. A. F. Vaz, A. J. Schuler, N. Bocchi, M. E. Kazzi
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):ACS applied energy materials
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.5 Synthese und Streuverfahren nanostrukturierter Materialien
Verlag:ACS Publ.
Verlagsort:Washington, DC
Jahrgang/Band:5
Ausgabe/Heft:7
Erste Seite:8357
Letzte Seite:8370
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Cathode material; Li-ion battery; SAXS; Spinel; The MOUSE; XAS
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
Chemie und Prozesstechnik / Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
DOI:10.1021/acsaem.2c00902
ISSN:2574-0962
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:25.07.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:25.07.2022
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