Insight into the origin of lithium/nickel ions exchange in layered Li(NixMnyCoz)O2 cathode materials

超级交换 材料科学 挫折感 反铁磁性 锂(药物) 几何挫折 离子 凝聚态物理 中子衍射 磁性 结晶学 物理 晶体结构 有机化学 化学 内分泌学 医学
作者
Yinguo Xiao,Tongchao Liu,Jiajie Liu,Lunhua He,Jie Chen,Junrong Zhang,Ping Luo,Huaile Lu,Rui Wang,Weiming Zhu,Zongxiang Hu,Gaofeng Teng,Chao Xin,Jiaxin Zheng,Tianjiao Liang,Fangwei Wang,Yuanbo Chen,Q. Huang,Feng Pan,He-Sheng Chen
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:49: 77-85 被引量:114
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.04.020
摘要

In layered LiNixMnyCozO2 cathode material for lithium-ion batteries, the spins of transition metal (TM) ions construct a two-dimensional triangular networks, which can be considered as a simple case of geometrical frustration. By performing neutron powder diffraction experiments and magnetization measurements, we find that long-range magnetic order cannot be established in LiNixMnyCozO2 even at low temperature of 3 K. Remarkably, the frustration parameters of these compounds are estimated to be larger than 30, indicating the existence of strongly frustrated magnetic interactions between spins of TM ions. As frustration will inevitably give rise to lattice instability, the formation of Li/Ni exchange in LiNixMnyCozO2 will help to partially relieve the degeneracy of the frustrated magnetic lattice by forming a stable antiferromagnetic state in hexagonal sublattice with nonmagnetic ions located in centers of the hexagons. Moreover, Li/Ni exchange will introduce 180° superexchange interaction, which further relieves the magnetic frustration through bringing in new exchange paths. Thus, the variation of Li/Ni exchange ratio vs. TM mole fraction in LiNixMnyCozO2 with different compositions can be well understood and predicted in terms of magnetic frustration and superexchange interactions. This provides a unique viewpoint to study the Li/Ni ions exchange in layered Li(NixMnyCoz)O2 cathode materials.
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