On the Active Components in Crystalline Li–Nb–O and Li–Ta–O Coatings from First Principles

材料科学 锂(药物) 涂层 离子 结晶学 钽酸锂 铌酸锂 纳米技术 光电子学 化学 医学 有机化学 内分泌学
作者
Hengning Chen,Zeyu Deng,Yuheng Li,Pieremanuele Canepa
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:35 (14): 5657-5670 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01197
摘要

Layered-oxide $\mathrm{LiNi_xMn_yCo_{1-x-y}O_2}$ (NMC) positive electrodes with high Nickel content, deliver high voltages and energy densities. However, a high nickel content, e.g., $x$ = 0.8 (NMC 811), can lead to high surface reactivity, which can trigger thermal runaway and gas generation. While claimed safer, all-solid-state batteries still suffer from high interfacial resistance. Here, we investigate niobate and tantalate coating materials, which can mitigate the interfacial reactivities in Li-ion and all-solid-state batteries. First-principles calculations reveal the multiphasic nature of Li-Nb-O and Li-Ta-O coatings, containing mixtures of $\mathrm{LiNbO_3}$ and $\mathrm{Li_3NbO_4}$, or of $\mathrm{LiTaO_3}$ and $\mathrm{Li_3TaO_4}$. The concurrence of several phases in Li-Nb-O or Li-Ta-O modulates the type of stable native defects in these coatings. Li-Nb-O and Li-Ta-O coating materials can form favorably lithium vacancies $\mathrm{Vac^{'}_{Li}}$ and antisite defects $\mathrm{Nb^{\bullet \bullet \bullet \bullet}_{Li}}$ ($\mathrm{Ta^{\bullet \bullet \bullet \bullet}_{Li}}$) combined into charge-neutral defect complexes. Even in defective crystalline $\mathrm{LiNbO_3}$ (or $\mathrm{LiTaO_3}$), we reveal poor Li-ion conduction properties. In contrast, $\mathrm{Li_3NbO_4}$ and $\mathrm{Li_3TaO_4}$ that are introduced by high-temperature calcinations can provide adequate Li-ion transport in these coatings. Our in-depth investigation of the structure-property relationships in the important Li-Nb-O and Li-Ta-O coating materials helps to develop more suitable calcination protocols to maximize the functional properties of these niobates and tantalates.
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