Grain Boundaries and Their Impact on Li Kinetics in Layered-Oxide Cathodes for Li-Ion Batteries

热扩散率 晶界 材料科学 阴极 化学物理 动力学 电化学 粒度 氧化物 扩散 热力学 化学 冶金 物理化学 电极 物理 微观结构 量子力学
作者
Xiaomei He,Hong Sun,Xiangdong Ding,Kejie Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (19): 10284-10294 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c02400
摘要

Defects are pervasive in electrochemical systems across multiple length scales. The defect chemistry largely differs from the bulk behavior and often dictates the rate performance for battery materials. However, the impact of material defects on Li kinetics remains elusive because of their complex nature and the sensitivity of the reaction kinetics on the local atomic environment. Here we focus on the grain boundaries (GBs) in layered-oxide cathodes and address their role in Li transport using the first-principles theoretical approach. We construct the coincidence site lattices of ∑2(11̅04̅), ∑3(1̅102̅), ∑5(11̅01̅), and ∑9(1̅104̅) GBs. The energy profiles for Li migration across and along the grain planes are plotted. We discuss in detail how the atomistic features associated with various grain structures such as the local structural distortion and charge redistribution determine the Li transport kinetics. Specifically, the coherent ∑2 GBs facilitate Li migration with 1–2 orders of magnitude increased diffusivity than the bulk diffusion, the asymmetric ∑3 GBs significantly impede Li diffusion, and the locally disordered ∑5 and ∑9 GBs cause slightly increased Li diffusivity at the intermediate diffusion distance (∼15 Å). We further evaluate the overall Li diffusivity and conductivity in the layered-oxide lattice by a distinction of Li transport in the bulk, across the GBs, and along the grain planes. The fundamental understanding sheds insight on a prevalent defect in the state-of-the-art cathode and its potential optimization of Li kinetics.
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