Structures, Electronic States, and Reactions at Interfaces between LiNi0.5Mn1.5O4 Cathode and Ethylene Carbonate Electrolyte: A First-Principles Study

碳酸乙烯酯 电解质 阴极 二甲氧基乙烷 化学 分子 分解 密度泛函理论 吸附 无机化学 化学物理 材料科学 物理化学 化学工程 计算化学 电极 有机化学 工程类
作者
Yukihiro Okuno,Keisuke Ushirogata,Keitaro Sodeyama,Ganes Shukri,Yoshitaka Tateyama
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (4): 2267-2277 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b10625
摘要

Electrolyte decomposition on cathode surfaces of lithium-ion batteries has attracted considerable attention because it leads to battery degradation and formation of a cathode solid–electrolyte interphase. In this study, we used density functional theory (DFT) calculations to investigate the distribution of the adsorption modes of ethylene carbonate (EC) electrolyte molecules and EC decomposition reactions on the (100) surfaces of lithiated (pristine) and delithiated forms of spinel-type LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (LNMO) as model cathode surfaces. DFT molecular dynamics (MD) simulations indicated that EC molecules have two characteristic adsorption modes. These two modes can satisfactorily explain the experimental observations and suggest a new feature of electrolyte–cathode interfaces in terms of the control of interfacial dipoles. On the basis of the DFT-MD results, we examined several possible pathways of EC decomposition on the LNMO (100) surfaces and estimated their activation barriers. We then found that the pristine LNMO (100) surface was inert with respect to the EC decomposition, whereas on delithiated surfaces, twofold-coordinated surface oxygen atoms generated by the delithiation process served as active sites for nucleophilic attack on the carbonyl carbon and the methylene group of adsorbed EC molecules. The induction of ring opening of the EC molecule by the former attack, and hydrogen abstraction from the methylene group and subsequent CO 2 generation by the latter were consistent with experimental observations.
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