Why LiFePO4 is a safe battery electrode: Coulomb repulsion induced electron-state reshuffling upon lithiation

文献情報

出版日 2015-09-03
DOI 10.1039/C5CP04739K
インパクトファクター 3.676
著者

Bernardo Barbiellini, Hasnain Hafiz, Susmita Basak, Jun Liu, Thomas Richardson, Guojiun Shu, Fangcheng Chou, Tsu-Chien Weng, Dennis Nordlund, Dimosthenis Sokaras, Brian Moritz, Thomas P. Devereaux, Ruimin Qiao, Yi-De Chuang, Arun Bansil, Zahid Hussain, Wanli Yang


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要旨

LiFePO4 is a battery cathode material with high safety standards due to its unique electronic structure. We performed systematic experimental and theoretical studies based on soft X-ray emission, absorption, and hard X-ray Raman spectroscopy of LixFePO4 nanoparticles and single crystals. The results clearly show a non-rigid electron-state reconfiguration of both the occupied and unoccupied Fe-3d and O-2p states during the (de)lithiation process. We focus on the energy configurations of the occupied states of LiFePO4 and the unoccupied states of FePO4, which are the critical states where electrons are removed and injected during the charge and discharge process, respectively. In LiFePO4, the soft X-ray emission spectroscopy shows that, due to the Coulomb repulsion effect, the occupied Fe-3d states with the minority spin sit close to the Fermi level. In FePO4, the soft X-ray absorption and hard X-ray Raman spectroscopy show that the unoccupied Fe-3d states again sit close to the Fermi level. These critical 3d electron state configurations are consistent with the calculations based on modified Becke and Johnson potentials GGA+U (MBJGGA+U) framework, which improves the overall lineshape prediction compared with the conventionally used GGA+U method. The combined experimental and theoretical studies show that the non-rigid electron state reshuffling guarantees the stability of oxygen during the redox reaction throughout the charge and discharge process of LiFePO4 electrodes, leading to the intrinsic safe performance of the electrodes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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