Study of the interface between Na-rich and Li-rich phases in a Na-inserted spinel Li4Ti5O12 crystal for an electrode of a sodium-ion battery

文献情報

出版日 2016-06-29
DOI 10.1039/C6CP03379B
インパクトファクター 3.676
著者

Mitsunori Kitta, Riki Kataoka, Masanori Kohyama


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要旨

Spinel lithium titanate (LTO; Li4Ti5O12) is one of the promising materials for negative electrodes of sodium-ion batteries (SIBs). The stable charge–discharge performance of SIB cells using LTO electrodes depends on the reversible Na insertion–extraction mechanism of LTO, where the spinel lattice is expanded with Na insertion, and two phases, Na-inserted LTO (Na-LTO) and Li-inserted LTO (Li-LTO) phases, are generated. These phases are confirmed using X-ray diffraction (XRD), while the mechanism of the two-phase coexistence with different lattice volumes is yet unclear. Here, we investigate the detailed morphology of the coexisting Na-LTO and Li-LTO phases using in situ XRD measurements and high-resolution transmission electron microscopy (TEM) observation. Na-LTO (a = 8.74 Å) and Li-LTO (a = 8.36 Å) phases are confirmed in both the electrochemically formed Na-inserted LTO electrode and the single-crystalline LTO thin specimen. We observed that the Na-LTO/Li-LTO interface is parallel to the (001) plane, and contains an inevitable lattice mismatch along the interface, while the expansion of the Na-LTO phase can be partially relaxed normal to the interface. We observed that the Na-LTO/Li-LTO interface has interface layers of lattice disordering with a 1–2 nm width, relaxing the lattice mismatch, as opposed to results from the previous scanning TEM observation. How the different lattice volumes at the two-phase interface are relaxed should be the key issue in investigation of the mechanism of Na insertion and extraction in LTO electrodes.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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