In Operando Visualization of Cation Disorder Unravels Voltage Decay in Ni‐Rich Cathodes

反键分子轨道 密度泛函理论 阴极 材料科学 化学物理 氧化物 电压 空位缺陷 电极 电子 分子物理学 结晶学 化学 计算化学 物理化学 原子轨道 电气工程 冶金 工程类 物理 量子力学
作者
Ang Gao,Xinyan Li,Fanqi Meng,Shengnan Guo,Xia Lu,Dong Su,Xuefeng Wang,Qinghua Zhang,Lin Gu
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:5 (2) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/smtd.202000730
摘要

Despite the high energy density of Ni-rich layered-oxide electrodes, their real-world implementation in batteries is hindered by the substantial voltage decay on cycling, which mainly originates from bulk and surface structural degradation. Here, in operando observation of cation disorder, a major origin of structural degradation, reveals the voltage decay mechanism in Ni-rich cathode. Viewed along [1 1-0] and [110] orientations by scanning transmission electron microscopy, it is demonstrated that transition metal (TM) migration gives rise to the drastic fluctuation of interlamellar spacing and NiO bond length, but almost exerts no influence on atom site in ab plane. Density functional theory calculations reveal that the fluctuation of the NiO bond length triggers voltage decay via lifting the energy level of the antibonding (3dz2 -2p)* orbits. Broadening bands by a shorter NiO bond increase the voltage slope of battery, which will reduce the accessible Li capacity within the stable voltage range of the electrolyte. Furthermore, a collaborative path of TM migration triggered by oxygen vacancy is verified to account for the TM migration. The finding provides insights into new chemistry to be explored for developing high-capacity layered electrodes that evade voltage decay.
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