Systematic analysis of electron energy-loss near-edge structures in Li-ion battery materials

文献情報

出版日 2018-09-24
DOI 10.1039/C8CP03390K
インパクトファクター 3.676
著者

Motofumi Saitoh, Xiang Gao, Takafumi Ogawa, Yumi H. Ikuhara, Shunsuke Kobayashi, Craig A. J. Fisher


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要旨

Electrical conductivity, state of charge and chemical stability of Li-ion battery materials all depend on the electronic states of their component atoms, and tools for measuring these reliably are needed for advanced materials analysis and design. Here we report a systematic investigation of electron energy-loss near-edge structures (ELNES) of Li-K and O-K edges for ten representative Li-ion battery electrodes and solid-state electrolytes obtained by performing transmission electron microscopy with a Wien-filter monochromator-equipped microscope. While the peaks of Li-K edges are positioned at about 62 eV for most of the materials examined, the peak positions of O-K edges vary within a range of about 530 to 540 eV, and the peaks can be categorised into three groups based on their characteristic edge shapes: (i) double peaks, (ii) single sharp peaks, and (iii) single broad peaks. The double peaks of group (i) are attributable to the d0 electronic configuration of their transition metal ions bonded to O atoms. The origin of the different peak shapes of groups (ii) and (iii) is more subtle but insights are gained using density functional theory methods to simulate O-K ELNES edges of group (ii) material LiCoO2 and group (iii) material LiFePO4. Comparison of their densities of states reveals that in LiCoO2 the Co–O hybrid orbitals are separated from Li–O hybrid orbitals, resulting in a sharp peak in the O-K edge, while Fe–O, Li–O and P–O hybrid orbitals in LiFePO4 partially overlap each other and produce a broad peak.

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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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