Revisiting metal fluorides as lithium-ion battery cathodes

材料科学 氟化锂 氟化物 锂(药物) 电池(电) 阴极 相(物质) 金属 无机化学 物理化学 化学 冶金 热力学 物理 医学 有机化学 内分泌学 功率(物理)
作者
Xiao Hua,Alexander S. Eggeman,Elizabeth Castillo‐Martínez,Rosa Robert,Harry S. Geddes,Ziheng Lu,Chris J. Pickard,Wei Meng,Kamila M. Wiaderek,Nathalie Pereira,Glenn G. Amatucci,Paul A. Midgley,Karena W. Chapman,Ullrich Steiner,Andrew L. Goodwin,Clare P. Grey
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (6): 841-850 被引量:187
标识
DOI:10.1038/s41563-020-00893-1
摘要

Metal fluorides, promising lithium-ion battery cathode materials, have been classified as conversion materials due to the reconstructive phase transitions widely presumed to occur upon lithiation. We challenge this view by studying FeF3 using X-ray total scattering and electron diffraction techniques that measure structure over multiple length scales coupled with density functional theory calculations, and by revisiting prior experimental studies of FeF2 and CuF2. Metal fluoride lithiation is instead dominated by diffusion-controlled displacement mechanisms, and a clear topological relationship between the metal fluoride F− sublattices and that of LiF is established. Initial lithiation of FeF3 forms FeF2 on the particle’s surface, along with a cation-ordered and stacking-disordered phase, A-LixFeyF3, which is structurally related to α-/β-LiMn2+Fe3+F6 and which topotactically transforms to B- and then C-LixFeyF3, before forming LiF and Fe. Lithiation of FeF2 and CuF2 results in a buffer phase between FeF2/CuF2 and LiF. The resulting principles will aid future developments of a wider range of isomorphic metal fluorides. Metal-fluoride-based lithium-ion battery cathodes are typically classified as conversion materials because reconstructive phase transitions are presumed to occur upon lithiation. Metal fluoride lithiation is now shown to be dominated instead by diffusion-controlled displacement mechanisms.
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