To improve the kinetic performance of LiMn_0.8Fe_0.2PO₄, a facile and controllable non-stoichiometric one-pot stepwise feeding solvothermal approach is successfully developed for preparing nickel-doped LiMn_0.8Fe_0.2PO₄ nanosheets.

Newly developed <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Li</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0.75</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Co</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math>LiNi0.75−xCo0.25MnxO2 <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>⩽</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⩽</mml:mo><mml:mn>0.25</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math>(0.1⩽x⩽0.25) cathode materials were successfully synthesized by mixing <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0.75</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Co</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math>Ni0.75−xCo0.25Mnx <mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math>(OH)2 and <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Li</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math>Li2CO3 via the solid-state reaction followed by heating to elevated temperatures. X-ray diffraction patterns showed that the samples calcined at <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>900</mml:mn><mml:mo>°</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math>900°C exhibited a typical hexagonal <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mtext>-</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">Na</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Fe</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math>α-NaFeO2 structure without any other impurities present. The ratio of peak intensities of (003) to (104) decreased with the increasing Mn content. The scanning electron microscopy micrograph revealed uniform primary particle size, and the small primary particles agglomerated to form the secondary ones with size distribution in the range of <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mtext>-</mml:mtext><mml:mn>9</mml:mn><mml:mspace width="0.3em"></mml:mspace><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math>6-9μm . The X-ray photoelectron spectroscopy measurement indicated that the valence of Ni ions was a mixture of <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:math>2+ and <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:math>3+ . The amount of Mn substituted for Ni increased proportional to the ratio of <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∕</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math>Ni2+∕Ni3+ in the samples was increased. Besides, for dynamic equilibrium <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ni</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math>(Ni2++Mn4+↔Ni3++Mn3+) , small amount <mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>Mn4+ was reduced to <mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Mn</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>Mn3+ . After cycling, the cathode materials showed good electrochemical performance, with initial discharge capacity around <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>170</mml:mn><mml:mspace width="0.3em"></mml:mspace><mml:mi>mAh</mml:mi><mml:mo>∕</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:math>170mAh∕g at <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mspace width="0.3em"></mml:mspace><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math>0.1C rate in the voltage range of <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext>-</mml:mtext><mml:mn>4.3</mml:mn><mml:mspace width="0.3em"></mml:mspace><mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math>3-4.3V . At a high rate of <mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="0.3em"></mml:mspace><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math>1C , 85% efficiency was still attainable in all samples.