Engineering the Transformation Strain in LiMnyFe1–yPO4 Olivines for Ultrahigh Rate Battery Cathodes

材料科学 电池(电) 阴极 拉伤 矿物学 结晶学 热力学 化学 物理化学 功率(物理) 物理 医学 内科学
作者
Dorthe Bomholdt Ravnsbæk,Kai Xiang,Wenting Xing,Olaf J. Borkiewicz,Kamila M. Wiaderek,Paul Gionet,Karena W. Chapman,Peter J. Chupas,Ming Tang,Yet‐Ming Chiang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (4): 2375-2380 被引量:80
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5b05146
摘要

Alkali ion intercalation compounds used as battery electrodes often exhibit first-order phase transitions during electrochemical cycling, accompanied by significant transformation strains. Despite ∼30 years of research into the behavior of such compounds, the relationship between transformation strain and electrode performance, especially the rate at which working ions (e.g., Li) can be intercalated and deintercalated, is still absent. In this work, we use the LiMnyFe1-yPO4 system for a systematic study, and measure using operando synchrotron radiation powder X-ray diffraction (SR-PXD) the dynamic strain behavior as a function of the Mn content (y) in powders of ∼50 nm average diameter. The dynamically produced strain deviates significantly from what is expected from the equilibrium phase diagrams and demonstrates metastability but nonetheless spans a wide range from 0 to 8 vol % with y. For the first time, we show that the discharge capacity at high C-rates (20-50C rate) varies in inverse proportion to the transformation strain, implying that engineering electrode materials for reduced strain can be used to maximize the power capability of batteries.
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