Quantifying structure dependent responses in Li-ion cells with excess Li spinel cathodes: matching voltage and entropy profiles through mean field models

文献情報

出版日 2018-07-25
DOI 10.1039/C8CP02989J
インパクトファクター 3.676
著者

Steffen Schlueter, Ronny Genieser, Daniel Richards


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要旨

Measurements of the open circuit voltage of Li-ion cells have been extensively used as a non-destructive characterisation tool. Another technique based on entropy change measurements has also been applied for this purpose. More recently, both techniques have been used to make qualitative statements about aging in Li-ion cells. One proposed cause of cell failure is point defect formation in the electrode materials. The steps in voltage profiles, and the peaks in entropy profiles are sensitive to order/disorder transitions arising from Li/vacancy configurations, which are affected by the host lattice structures. We compare the entropy change results, voltage profiles and incremental capacity (dQ/dV) obtained from coin cells with spinel lithium manganese oxide (LMO) cathodes, Li1+yMn2−yO4, where excess Li y was added in the range 0 ≤ y ≤ 0.2. A clear trend of entropy and dQ/dV peak amplitude decrease with excess Li amount was determined. The effect arises, in part, from the presence of pinned Li sites, which disturb the formation of the ordered phase. We modelled the voltage, dQ/dV and entropy results as a function of the interaction parameters and the excess Li amount, using a mean field approach. For a given pinning population, we demonstrated that the asymmetries observed in the dQ/dV peaks can be modelled by a single linear correction term. To replicate the observed peak separations, widths and magnitudes, we had to account for variation in the energy interaction parameters as a function of the excess Li amount, y. All Li–Li repulsion parameters in the model increased in value as the defect fraction, y, increased. Our paper shows how far a computational mean field approximation can replicate experimentally observed voltage, incremental capacity and entropy profiles in the presence of phase transitions.

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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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