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High Li-ion diffusion coefficient in LiMn1.5Ni0.5O4 thin films for all-solid Li-ion battery applications

材料科学 薄膜 尖晶石 阴极 电极 脉冲激光沉积 扩散 分析化学(期刊) 离子 电流密度 复合材料 光电子学 纳米技术 化学 冶金 物理化学 色谱法 量子力学 热力学 物理 有机化学
作者
Sruthy Subash,Lakshmanan Kumaresan,Kumaran Vediappan,K. Kamala Bharathi
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:124 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0178190
摘要

Among various choices of high-performance cathode materials, Ni substituted LiMn2O4 spinel LiMn1.5Ni0.5O4 (LMNO) has proved to be one of the solutions to yield a high-performance and high-energy density material, which can operate at a higher potential window. This study explores the high diffusion coefficient and electrochemical performance at wide current rates of LMNO thin films with less than 50 nm thickness, fabricated on SrTiO3 and SS substrates by the pulsed laser deposition method. The LMNO film with less thickness and the performance without binder and conducting carbon widen the Li-ion path and decrease diffusion length, resulting a higher diffusion coefficient on the order of 10−5 to 10−6 cm2/s, which is several orders higher than the previously obtained reports for bulk counterpart. The cycling stability and rate capability at different current densities of LMNO thin film electrodes are further investigated. Charge–discharge profile at varying current rates of 5, 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, and 125 mA/cm2 is obtained for 500 cycles. The as fabricated film shows a stable profile for 500 cycles with 1.3 and 2.3 μA h/cm2 areal discharge capacity at 25 and 5 mA current rates, respectively. Electrode interfacial properties of LMNO film (before and after cycles) are analyzed using impedance technique. This study indicates that the LMNO thin films can be employed as a cathode layer for fabricating the all-solid thin film batteries for energy applications.
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