Surface Structure, Morphology, and Stability of Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 Cathode Material

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作者
Juan C. Garcia,Javier Bareño,Jianhua Yan,Guoying Chen,Andrew S. Hauser,Jason R. Croy,Hakim Iddir
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (15): 8290-8299 被引量:137
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b00896
摘要

Layered Li(Ni<sub>1-x-y</sub>Mn<sub>x</sub>Co<sub>y</sub>)O<sub>2</sub> (NMC) oxides are promising cathode materials capable of addressing some of the challenges associated with next-generation energy storage devices. In particular, improved energy densities, longer cycle-life, and improved safety characteristics with respect to current technologies are needed. However, sufficient knowledge on the atomic-scale processes governing these metrics in working cells is still lacking. Herein, Density Functional Theory (DFT) is employed to predict the stability of several low-index surfaces of Li(Ni<sub>1/3</sub>Mn<sub>1/3</sub>Co<sub>1/3</sub>)O<sub>2</sub> (NMC111) as a function of Li and O chemical potentials. Predicted particle shapes are compared with those of single crystal NMCs synthesized under different conditions. The most stable surfaces for stoichiometric NMC111 are predicted to be the non-polar (104), the polar (012) and (001), and the reconstructed, polar (110) surfaces. Results indicate that intermediate spin Co<sup>3+</sup> ions lower the (104) surface energy. Furthermore, it was found that removing oxygen from the (012) surface was easier than from the (104) surface, suggesting a facet dependence on surface-oxygen vacancy formation. In conclusion, these results give important insights into design criteria for the rational control of synthesis parameters as well as establish a foundation on which future, mechanistic studies of NMC surface instabilities can be developed.
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