Mechanical Degradation by Anion Redox in LiNiO2 Countered via Pillaring

材料科学 氧化还原 非阻塞I/O 离子键合 析氧 法拉第效率 密度泛函理论 化学工程 离子 电解质 电化学 物理化学 冶金 电极 化学 计算化学 生物化学 工程类 催化作用 有机化学
作者
Matthew Bergschneider,Fantai Kong,Patrick Conlin,Taesoon Hwang,Seok‐Gwang Doo,Kyeongjae Cho
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202403837
摘要

Abstract A promising next‐generation high‐energy cathode material, LiNiO 2 (LNO) has failed to realize commercialization due to severe capacity degradation during cycling. The dual mechanisms of surface oxygen evolution due to anion redox and anisotropic volume change upon delithiation synergistically pulverize and degrade the material. Detailed Density Functional Theory (DFT) modeling and analysis of the anisotropic structural changes associated with crack formation in LiNiO 2 (LNO) reveals the link of mechanical behavior to charge transfer and oxygen redox activity upon deep charge cycling (>4.2 V vs Li/Li + ). In the two‐phase region and H2–H3 transition from 66% to 100% delithiation, oxygen of [NiO 6 ] octahedra is discovered to undergo redox in growing the Li‐deficient regions, causing c‐lattice mechanical weakening and collapse as the Li‐slab becomes depleted. Li‐site dopants are investigated to locally compensate against anion redox, resulting in enhanced coulombic repulsion and supporting the interslab layer thickness even at 100% depth of charge. Ionic size and oxidation state of M in Li x‐y M y NiO 2 are found to fundamentally impact stabilization capability, moderating the anisotropic strain and volume expansion asynchronously. Optimization of mixed doping composition may then enable “zero strain” high‐Ni Li(Ni,Co,Mn)O 2 (NCM) or LNO.
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