Crystallographic origin of cycle decay of the high-voltage LiNi0.5Mn1.5O4 spinel lithium-ion battery electrode

文献情報

出版日 2016-03-04
DOI 10.1039/C6CP00947F
インパクトファクター 3.676
著者

Cheng-Zhang Lu, Chia-Erh Liu, Vanessa K. Peterson, Shih-Chieh Liao, Jin-Ming Chen


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要旨

High-voltage spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) is considered a potential high-power-density positive electrode for lithium-ion batteries, however, it suffers from capacity decay after extended charge–discharge cycling, severely hindering commercial application. Capacity fade is thought to occur through the significant volume change of the LNMO electrode occurring on cycling, and in this work we use operando neutron powder diffraction to compare the structural evolution of the LNMO electrode in an as-assembled 18650-type battery containing a Li4Ti5O12 negative electrode with that in an identical battery following 1000 cycles at high-current. We reveal that the capacity reduction in the battery post cycling is directly proportional to the reduction in the maximum change of the LNMO lattice parameter during its evolution. This is correlated to a corresponding reduction in the MnO6 octahedral distortion in the spinel structure in the cycled battery. Further, we find that the rate of lattice evolution, which reflects the rate of lithium insertion and removal, is ∼9 and ∼10% slower in the cycled than in the as-assembled battery during the Ni2+/Ni3+ and Ni3+/Ni4+ transitions, respectively.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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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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