High-Rate Spinel LiMn2O4 (LMO) Following Carbonate Removal and Formation of Li-Rich Interface by ALD Treatment

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作者
Matthias J. Young,Steven Letourneau,Robert E. Warburton,Wesley M. Dose,Christopher S. Johnson,Jeffrey Greeley,Jeffrey W. Elam
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (39): 23783-23790 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b04418
摘要

Recent work has identified enhanced charge-storage capacity in the spinel lithium manganese oxide (LiMn2O4; LMO) lithium-ion battery cathode upon a single atomic layer deposition (ALD) cycle composed of one chemical exposure of trimethylaluminum (TMA) and one exposure of water (H2O). Here, we report further study of the rate capability following one TMA/H2O exposure and identify enhanced rate capability versus pristine LMO. To understand this effect, we experimentally probe the surface composition of LMO with TMA/H2O treatment using X-ray photoelectron spectroscopy measurements with inert transfer. This includes a study of the LMO surface properties following TMA exposure before exposure to H2O. We identify the removal of a surface carbonate layer from LMO upon TMA exposure and the formation of a Li-rich aluminum oxide surface layer upon subsequent H2O exposure. We also observe a previously undescribed phenomenon of Li ions depleting from the LMO surface upon TMA exposure and returning upon H2O exposure. These effects are connected with the enhanced rate capability of ALD-coated LMO and are related to a range of emerging studies on carbonate surface layers in battery cathodes, as well as the use of ALD to stabilize battery interfaces.
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