Theoretical insights on alleviating lattice-oxygen evolution by sulfur substitution in Li1.2Ni0.6Mn0.2O2 cathode material

阴极 密度泛函理论 材料科学 氧气 电解质 空位缺陷 离子 硫黄 析氧 从头算量子化学方法 化学物理 物理化学 结晶学 计算化学 化学 电化学 分子 电极 冶金 有机化学
作者
Kuan‐Yu Lin,Santhanamoorthi Nachimuthu,Han-Wen Huang,Jyh‐Chiang Jiang
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41524-022-00893-6
摘要

Abstract Here, we demonstrate that the lattice oxygen release on the high-capacity cathode, Li1.2Ni0.6Mn0.2O2 (LNMO) surface can be successfully suppressed through S-anion-substitution using density functional theory (DFT) calculations and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. The oxygen evolution mechanisms on pristine and sulfur (S)-substituted LNMO (003) surfaces in the presence of an electrolyte mixture are compared. Over-oxidation of O2− anions during delithiation in the pristine surface results in oxygen evolution and subsequent structural deformation. Whereas, in the S-substituted LNMO, S2− anions primarily participate in charge compensation and further inhibit oxygen evolution and O vacancy formation at high degrees of delithiation. Furthermore, the S-substitution effectively prevents the formation of Ni3+ ions and Jahn-Teller distortion, retaining the layered structure during delithiation. Our findings provide insight into improving the structural stability of the LNMO (003) surface, paving the way for developing Li-rich LNMO cathode materials for next-generation LIBs.
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