Resolving complex intralayer transition motifs in high-Ni-content layered cathode materials for lithium-ion batteries

阴极 材料科学 离子 锂(药物) 化学工程 纳米技术 化学 物理化学 工程类 医学 有机化学 内分泌学
作者
Chunyang Wang,Xuelong Wang,Rui Zhang,Tianjiao Lei,Kim Kisslinger,Huolin L. Xin
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:22 (2): 235-241 被引量:109
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01461-5
摘要

High-Ni-content layered materials are promising cathodes for next-generation lithium-ion batteries. However, investigating the atomic configurations of the delithiation-induced complex phase boundaries and their transitions remains challenging. Here, by using deep-learning-aided super-resolution electron microscopy, we resolve the intralayer transition motifs at complex phase boundaries in high-Ni cathodes. We reveal that an O3 → O1 transformation driven by delithiation leads to the formation of two types of O1–O3 interface, the continuous- and abrupt-transition interfaces. The interfacial misfit is accommodated by a continuous shear-transition zone and an abrupt structural unit, respectively. Atomic-scale simulations show that uneven in-plane Li+ distribution contributes to the formation of both types of interface, and the abrupt transition is energetically more favourable in a delithiated state where O1 is dominant, or when there is an uneven in-plane Li+ distribution in a delithiated O3 lattice. Moreover, a twin-like motif that introduces structural units analogous to the abrupt-type O1–O3 interface is also uncovered. The structural transition motifs resolved in this study provide further understanding of shear-induced phase transformations and phase boundaries in high-Ni layered cathodes. High-Ni-content layered cathodes are promising for lithium-ion batteries, but investigating their delithiation-induced phase boundaries is challenging. Intralayer transition motifs at complex phase boundaries in these high-Ni electrodes are now resolved using deep-learning-aided super-resolution electron microscopy.
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