Design principles for zero-strain Li-ion cathodes

电解质 电化学 材料科学 化学物理 阴极 离子 过渡金属 自行车 阳极 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学 考古 历史 催化作用
作者
Xinye Zhao,Yaosen Tian,Zhengyan Lun,Zijian Cai,Tina Chen,Bin Ouyang,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Joule [Elsevier BV]
卷期号:6 (7): 1654-1671 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.joule.2022.05.018
摘要

The cycling of cathode materials for Li-ion batteries is often accompanied by a change in volume, posing a challenge to the integrity of cathode particles and electrolyte/cathode interface in solid-state batteries. To enhance capacity retention, it is thus crucial to design materials that remain structurally invariant during electrochemical cycling. Here, we use well-calibrated first-principles calculations to systematically investigate the effect of transition-metal chemistry, cation ordering, Li site occupancy, redox-inactive species, anion substitution, and cation migration on the volume change associated with the delithiation of cathode materials with an FCC anion framework. Suggested by an in-depth first-principles Monte Carlo simulation of the Li+–V3+–Nb5+–O2−–F− system, we experimentally confirm Li1.3V0.4Nb0.3O2 and Li1.25V0.55Nb0.2O1.9F0.1 as nearly zero-strain cathodes. Our study establishes a fundamental understanding of the important physical descriptors that determine the dimensional change of materials during cycling and provides general guidelines for designing low- or zero-strain cathodes.
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