エネルギー科学：ゼロひずみでゼロコバルトの層状カソードのための組成的に複雑なドーピング

コバルト（Co）は、価格変動が大きく採掘に地政学的制約があるため、自動車産業ではCoの不使用が急務となっている。高いエネルギー密度と安価という利点から、高ニッケル（Ni）で低Co、またはCoフリー（ゼロCo）の層状カソードが、次世代リチウムイオン電池のカソードとして最も有望視されている。しかし、現在の高Niカソード材料には、例外なく、固有の熱的不安定性や化学機械的不安定性と不十分なサイクル寿命という非常に大きな欠点がある。今回我々は、組成的に複雑な（高エントロピーの）新しいドーピング戦略を用いて、熱的安定性とサイクル安定性が極めて高い、高NiでゼロCoの層状カソードの作製に成功した。我々は、X線回折、透過型電子顕微鏡法、ナノトモグラフィーを組み合わせて、このカソードが、広い電気化学的ウィンドウにわたってほぼゼロの体積変化を示し、その結果、格子欠陥や、局所ひずみによって誘起される亀裂が大幅に減少することを見いだした。また、in situ加熱実験から、この新しいカソードの熱的安定性が大幅に向上しており、極めて安定なNMC-532のレベルに達していることが明らかになった。熱的安定性の大幅な向上とゼロ体積変化によって、このカソードでは容量保持率も大きく向上している。今回の成果は、高NiでゼロCoのカソード材料に関する安全性と安定性の長年の懸念を解決することによって、安全で長寿命のリチウムイオン電池のための商業的に実現可能なカソードと、インターカレーション電極におけるひずみと相変態を抑制する普遍的戦略をもたらす。

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