Li+ Diffusion in Amorphous and Crystalline Al2O3 for Battery Electrode Coatings

材料科学 阳极 无定形固体 化学物理 扩散阻挡层 阴极 电极 锂(药物) 扩散 纳米技术 结晶学 热力学 化学 物理化学 图层(电子) 内分泌学 物理 医学
作者
Adelaide M. Nolan,Darshana Wickramaratne,Noam Bernstein,Yifei Mo,M. D. Johannes
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (19): 7795-7804 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c02239
摘要

Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> is often applied protectively to lithium-ion battery anode and cathode materials to inhibit surface degradation, suppress dendrite formation, and relieve mechanical stresses. Given the very high intrinsic band gap and diffusion barrier of the material, the mechanism that allows Li diffusion through these coatings is not well understood, and widely varying laboratory results indicate that there may be dependencies on morphology and stoichiometry. Using nudged elastic band calculations and ab initio molecular dynamics, we perform a systematic investigation across Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> structures, both crystalline and amorphous, and at various concentrations of Li<sup>+</sup> to uncover the optimal parameters for maximally diffusive coatings. We find a correlation between the low proximity of Li<sup>+</sup> to Al<sup>3+</sup> and the low Li<sup>+</sup> migration barrier. Although barriers are the lowest in the highly diffusive one-dimensional channels of crystalline θ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, the system is structurally delicate and subject to detrimental distortion as the Li<sup>+</sup> content is increased. The α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> lattice is, conversely, highly stable against distortion at all Li<sup>+</sup> concentrations but disadvantageous for Li<sup>+</sup> migration. In amorphous systems, unscreened Li<sup>+</sup>–Li<sup>+</sup> Coulomb repulsion and pre-emptive occupation of “trapping sites” combine to lower the energy barriers as a function of increasing concentration. One of our most important findings is that Al-deficient materials can sharply increase Li<sup>+</sup> movement, and we predict that an amorphous material with a combination of high Li<sup>+</sup> concentration and Al deficiency would enable highly Li<sup>+</sup>-conductive protective coatings for electrodes.
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