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Understanding the Onset of Surface Degradation in LiNiO2 Cathodes

阴极 材料科学 电化学 化学物理 锂(药物) 降级(电信) 表面电荷 工作职能 氧气 相(物质) 插层(化学) 电极 化学工程 分析化学(期刊) 纳米技术 化学 无机化学 物理化学 电气工程 内分泌学 工程类 有机化学 医学 图层(电子) 色谱法
作者
Xin‐Hao Li,Qian Wang,Haoyue Guo,Nongnuch Artrith,Alexander Urban
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (5): 5730-5741 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c00012
摘要

Nickel-based layered oxides offer an attractive platform for the development of energy-dense cobalt-free cathodes for lithium-ion batteries but suffer from degradation via oxygen gas release during electrochemical cycling. While such degradation has previously been characterized phenomenologically with experiments, an atomic-scale understanding of the reactions that take place at the cathode surface has been lacking. Here, we develop a first-principles methodology for the prediction of the surface reconstructions of intercalation electrode particles as a function of the temperature and state of charge. We report the surface phase diagrams of the LiNiO2 (001) and (104) surfaces and identify surface structures that are likely visited during the first charge and discharge. Our calculations indicate that both surfaces experience oxygen loss during the first charge, resulting in irreversible changes to the surface structures. At the end of charge, the surface Ni atoms migrate into tetrahedral sites, from which they further migrate into Li vacancies during discharge, leading to Li/Ni mixed discharged surface phases. Further, the impact of the temperature and voltage range during cycling on the charge/discharge mechanism is discussed. The present study thus provides insight into the initial stages of cathode surface degradation and lays the foundation for the computational design of cathode materials that are stable against oxygen release.
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