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Tuning the Electronic, Ion Transport, and Stability Properties of Li-rich Manganese-based Oxide Materials with Oxide Perovskite Coatings: A First-Principles Computational Study

材料科学 密度泛函理论 阴极 钙钛矿(结构) 锂(药物) 氧化物 涂层 化学物理 空位缺陷 离子 化学工程 纳米技术 凝聚态物理 物理化学 计算化学 冶金 医学 化学 物理 工程类 内分泌学 量子力学
作者
Zizhen Zhou,Dewei Chu,Bo Gao,Toshiyuki Momma,Yoshitaka Tateyama,Claudio Cazorla
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (32): 37009-37018 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.2c07560
摘要

Lithium-rich manganese-based oxides (LRMO) are regarded as promising cathode materials for powering electric applications due to their high capacity (250 mAh g-1) and energy density (∼900 Wh kg-1). However, poor cycle stability and capacity fading have impeded the commercialization of this family of materials as battery components. Surface modification based on coating has proven successful in mitigating some of these problems, but a microscopic understanding of how such improvements are attained is still lacking, thus impeding systematic and rational design of LRMO-based cathodes. In this work, first-principles density functional theory (DFT) calculations are carried out to fill out such a knowledge gap and to propose a promising LRMO-coating material. It is found that SrTiO3 (STO), an archetypal and highly stable oxide perovskite, represents an excellent coating material for Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 (LNMO), a prototypical member of the LRMO family. An accomplished atomistic model is constructed to theoretically estimate the structural, electronic, oxygen vacancy formation energy, and lithium-transport properties of the LNMO/STO interface system, thus providing insightful comparisons with the two integrating bulk materials. It is found that (i) electronic transport in the LNMO cathode is enhanced due to partial closure of the LNMO band gap (∼0.4 eV) and (ii) the lithium ions can easily diffuse near the LNMO/STO interface and within STO due to the small size of the involved ion-hopping energy barriers. Furthermore, the formation energy of oxygen vacancies notably increases close to the LNMO/STO interface, thus indicating a reduction in oxygen loss at the cathode surface and a potential inhibition of undesirable structural phase transitions. This theoretical work therefore opens up new routes for the practical improvement of cost-affordable lithium-rich cathode materials based on highly stable oxide perovskite coatings.
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