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Stabilizing Crystal Framework of an Overlithiated Li1+xMn2O4 Cathode by Heterointerfacial Epitaxial Strain for High-Performance Microbatteries

材料科学 四方晶系 阴极 外延 正交晶系 离子 光电子学 凝聚态物理 晶体结构 纳米技术 结晶学 化学 图层(电子) 物理化学 物理 有机化学
作者
Jie Zheng,Rui Xia,Sourav Baiju,Zixiong Sun,Payam Kaghazchi,Johan E. ten Elshof,Gertjan Koster,Mark Huijben
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25391-25404 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08849
摘要

To meet the increasing demands of high-energy and high-power-density lithium-ion microbatteries, overlithiated Li1+xMn2O4 (0 ≤ x ≤ 1) is an attractive cathode candidate due to the high theoretical capacity of 296 mAh g-1 and the interconnected lithium-ion diffusion pathways. However, overlithiation triggers the irreversible cubic-tetragonal phase transition due to Jahn-Teller distortion, causing rapid capacity degradation. In contrast to conventional lithium-ion batteries, microbatteries offer the opportunity to develop specific thin-film-based modification strategies. Here, heterointerfacial lattice strain is proposed to stabilize the spinel crystal framework of an overlithiated Li1+xMn2O4 (LMO) cathode by epitaxial thin film growth on an underlying SrRuO3 (SRO) electronic conductor layer. It is demonstrated that the lattice misfit at the LMO/SRO heterointerface results in an in-plane epitaxial constraint in the full LMO film. This suppresses the lattice expansion during overlithiation that typically occurs in the in-plane direction. It is proposed by density functional theory modeling that the epitaxial constraint can accommodate the internal lattice stress originating from the cubic-tetragonal transition during overlithiation. As a result, a doubling of the capacity is achieved by reversibly intercalating a second lithium ion in a LiMn2O4 epitaxial cathode with a complete reversible phase transition. An impressive cycling stability can be obtained with reversible capacity retentions of above 90.3 and 77.4% for the 4 and 3 V range, respectively. This provides an effective strategy toward a stable overlithiated Li1+xMn2O4 epitaxial cathode for high-performance microbatteries.
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