Crystallographic origin of cycle decay of the high-voltage LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 spinel lithium-ion battery electrode

尖晶石 离子 锂(药物) 电极 材料科学 电池(电) 化学 物理化学 热力学 物理 冶金 医学 内分泌学 功率(物理) 有机化学
作者
Wei Kong Pang,Cheng‐Zhang Lu,Chia-Erh Liu,Vanessa Kate Peterson,Hsiu–Fen Lin,Shih‐Chieh Liao,Jin‐Ming Chen
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (26): 17183-17189 被引量:31
标识
DOI:10.1039/c6cp00947f
摘要

High-voltage spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) is considered a potential high-power-density positive electrode for lithium-ion batteries, however, it suffers from capacity decay after extended charge-discharge cycling, severely hindering commercial application. Capacity fade is thought to occur through the significant volume change of the LNMO electrode occurring on cycling, and in this work we use operando neutron powder diffraction to compare the structural evolution of the LNMO electrode in an as-assembled 18650-type battery containing a Li4Ti5O12 negative electrode with that in an identical battery following 1000 cycles at high-current. We reveal that the capacity reduction in the battery post cycling is directly proportional to the reduction in the maximum change of the LNMO lattice parameter during its evolution. This is correlated to a corresponding reduction in the MnO6 octahedral distortion in the spinel structure in the cycled battery. Further, we find that the rate of lattice evolution, which reflects the rate of lithium insertion and removal, is ∼9 and ∼10% slower in the cycled than in the as-assembled battery during the Ni(2+)/Ni(3+) and Ni(3+)/Ni(4+) transitions, respectively.
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