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Insight into the cation migration and surface structural evolution of spinel LiNi0.5Mn1.5O4 cathode material for lithium-ion batteries

尖晶石 阴极 材料科学 离子 化学工程 无机化学 锂(药物) 化学 物理化学 冶金 工程类 医学 有机化学 内分泌学
作者
Fanjun Kong,Guikai Zhang,Dajun Wu,Fei Sun,Tao Shi,Shengqi Chu,Bin Qian,Wangsheng Chu,Song Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:451: 138708-138708 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.138708
摘要

The spinel LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 cathode undergoes a complex cubic to tetragonal phase transformation with the excess Li + -ions inserted into the lattice after discharged to 1.5 V, leading to the formation of Li 2 Mn 2 O 4 -type tetragonal phase and rock-salt NiO phase is revealed by synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy and electron microscopy analysis. • The chemical evolution at atomic scale is revealed LNMO cathode during cycling. • Tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 phase on the LNMO surface is verified at discharged 1.5 V. • Ni 2+ ions migration as a driving force for rock-salt NiO phase forming. • Structural transformation in LNMO accompanied by fast capacity fading. High-voltage spinel LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (LNMO) is considered to be a promising cathode material for electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEVs). Nevertheless, the structural transformation under a deep discharge voltage is still ambiguity. Herein, we report detailed studies of structural change of LNMO cathode under a wide voltage range of 5.0–1.5 V cycling by using synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy, aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS). The fundamental findings demonstrate that LNMO would undergo a complex phase transformation from cubic to tetragonal during deep discharge to a voltage lower than 3 V. It gives rise to a further reduction of Mn 4+ to Mn 3+ and this serious structural distortion leads to the formation of Li 2 Mn 2 O 4 -type tetragonal phase with space group of I 4 1 / amd , which is also confirmed by XANES simulations and density functional theory (DFT) calculations. Meanwhile, migration of Ni ions toward the surface from bulk lattice, leading to the rock-salt NiO phase formation with a space group of Fm -3 m . Finally, these observed evolutions on the surface are associated to the fast capacity fading for LNMO under such a wide voltage range. This work provides insight into understanding the capacity degradation mechanism of spinel cathodes and would inspire us to further design high-performance cathode materials for advanced lithium-ion batteries.
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