First-Principles Analysis of Phase Stability in Layered–Layered Composite Cathodes for Lithium-Ion Batteries

空位缺陷 材料科学 复合数 锂(药物) 离子 相(物质) 阴极 溶解度 固溶体 相变 化学物理 凝聚态物理 结晶学 物理化学 复合材料 化学 冶金 医学 物理 内分泌学 有机化学
作者
Hakim Iddir,R. Benedek
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:26 (7): 2407-2413 被引量:35
标识
DOI:10.1021/cm403256a
摘要

The atomic order in layered–layered composites with composition xLi2MnO3·(1 – x)LiCoO2 is investigated with first-principles calculations at the GGA+U level. This material, and others in its class, are often regarded as solid solutions; however, only a minute solubility of Li2MnO3 in a LiCoO2 host is predicted. Calculations of Co vacancy formation and migration energies in LiCoO2 are presented to elucidate the rate of vacancy-mediated ordering in the transition-metal-layer. The neutral Co vacancy formation energy is predicted to be in a range centered slightly above 1 eV but varies widely with the oxygen chemical potential. The calculated migration energy for the vacancy with charge q = −3e is approximately 1 eV. These values are small enough to be consistent with rapid ordering in the transition metal layer at typical synthesis temperatures and, therefore, separated Li2MnO3 and LiCoO2 phases. The relatively small (of the order of a few nm) Li2MnO3 domain sizes observed with TEM in some xLi2MnO3·(1 – x)LiMO2 composites may result from other factors, such as coherency strain, which perhaps block further domain coarsening in these materials.
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