Anisotropic mechanical properties of LiNi Mn Co1O2 cathodes for Li-ion batteries: A first-principles theoretical study

材料科学 各向异性 离子 阴极 弹性模量 剪切模量 结构稳定性 凝聚态物理 化学物理 结晶学 复合材料 物理化学 结构工程 工程类 有机化学 量子力学 物理 化学
作者
Xiaomei He,Xiangdong Ding,Rong Xu
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:267: 119751-119751 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.119751
摘要

LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) is a prominent cathode material for advanced Li-ion batteries. The mechanical integrity of NMC is crucial, as it significantly influences the electrochemical stability of NMC cathodes during cycling. Despite the importance, a comprehensive understanding of the mechanical properties of NMC remains elusive, primarily due to its pronounced structural anisotropy that poses significant challenges for both experimental quantification and theoretical modeling. Herein, we employ first-principles calculations to investigate the evolution of anisotropic elastic properties of NMC (NMC532, NMC622, and NMC811) throughout the delithiation process. Our findings reveal a complex interplay of mechanical properties and structural features of NMC. As delithiation proceedings, the elastic moduli present a reduction at disparate rates along the c-axis versus those directions paralleling the ab-plane, owing to the differential bonding dynamics occurring within and between the transition metal slabs. Therefore, the anisotropy ratio of NMC exhibits exponential increase during delithiation, where the basal plane shows the near-highest Young's modulus and near-lowest shear modulus. Intriguingly, we observe that a higher Ni content in the NMC composition accelerates elastic modulus reduction, a behavior predominantly influenced by the Jahn−Teller distortion. Collectively, our insights bridge the evolution of lattice structure with the corresponding shifts in the elastic properties of NMC, laying the foundational groundwork for future material optimizations.
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