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Failure Mechanisms of High-Voltage Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 with Different Morphologies: Effect of Self-Regulation by Lithium Benzimidazole Salt Additive

尖晶石 电化学 材料科学 化学工程 锂(药物) 无机化学 电极 化学 物理化学 冶金 医学 工程类 内分泌学
作者
Chusnul Khotimah,Fu‐Ming Wang,Margret Wohlfahrt‐Mehrens,Jeng‐Kuei Chang,Jeng‐Yu Lin,Chia‐Chin Chang,Rio Akbar Yuwono,Sylvia Ayu Pradanawati,Nan‐Hung Yeh,Chun‐Chuan Hsu,Lester Tiong,Jeng‐Lung Chen,Shu‐Chih Haw,Chih‐Wen Pao,Chi‐Liang Chen,Jyh‐Fu Lee,Ting‐Shan Chan,Hwo‐Shuenn Sheu,Jin‐Ming Chen,Alagar Ramar
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (11): 4374-4388
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c06845
摘要

High voltage (∼5 V) spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) has attracted great attention because of its ultrahigh voltage plateau, which can be used as a cathode to reduce pressure in battery management systems. Moreover, compared with layered LiNxMyCzO2 materials, LNMO only requires little amounts of Ni, is cobalt-free for maintaining energy density, is inexpensive, and is lightweight. This study demonstrates two types of primary particles with different morphologies: rectangular and pentahedral. The pentahedron-shaped LNMO has lower surface energy owing to the formation of high valence Ni on the surface, thereby causing gas evolution and a loss in cycle retention, a direct Ni2+/Ni4+ reaction. Conversely, rectangular-shaped LNMO with higher Mn3+ content exhibits a stable electrochemical reaction, which provides a higher surface energy that prevents ethylene carbonate (EC) decomposition on the surface, and thereby, excellent performance is obtained, a parallel reaction of Mn3+/ Mn4+ and Ni2+/ Ni3+. By adding a lithium salt additive, trifluoromethyl benzimidazole (LiTFB), a self-regulation of Ni and Mn ion valences leads to a key reaction on both pentahedral (surface disordering effect) and rectangular (preventing Jahn–Teller distortion effect) LNMO morphologies. The two-electron transfer in the reactions of Ni2+/3+ and Mn3+/4+ of LiTFB-modified LNMOs provides excellent electrochemical performance for further high-energy applications.
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