Cathode Electrolyte Interphase Formation and Electrolyte Oxidation Mechanism for Ni-Rich Cathode Materials

阴极 电解质 X射线光电子能谱 电化学 化学 氧化物 材料科学 分析化学(期刊) 无机化学 电极 化学工程 物理化学 有机化学 工程类
作者
Ikuma Takahashi,Hisao Kiuchi,Atsushi Ohma,Toshiharu Fukunaga,Eiichiro Matsubara
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:124 (17): 9243-9248 被引量:84
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c02198
摘要

Herein, we investigate the formation of a cathode electrolyte interphase (CEI) by electrolyte oxidation on a LiNixM1–xO2 (x > 0.5; M, transition metal) layered oxide (Ni-rich) cathode and compare this phenomenon with a Li-rich layered oxide (Li-rich) cathode. Our investigations focused on two electrochemical properties, the potential and kinetics of electrolyte oxidation, studied using hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), soft X-ray absorption spectroscopy, and density functional theory calculations. HAXPES revealed that a thicker CEI formed on the Ni-rich cathode compared to that on the Li-rich cathode, despite the operation potential of the Ni-rich cathode being lower than that of the Li-rich cathode. Thus, the Ni-rich cathode induces the CEI formation through active oxidation of the electrolyte during charge–discharge cycles. The electronic state of the Ni-rich cathode indicates that the antibonding hybrid orbital of the transition metal 3d–O 2p corresponds to the lowest unoccupied molecular orbital energy level, that is, the hole, and lies near the highest occupied molecular orbital energy level of the electrolyte. In addition, the hole concentration in the charged state was found to be significantly increased, in comparison to other active materials, which promotes oxidization of the electrolyte.
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