Lithium insertion/extraction mechanism in Mg2Sn anode for lithium-ion batteries

阳极 锂(药物) 材料科学 萃取(化学) 离子 机制(生物学) 磷酸钒锂电池 无机化学 化学 电极 物理化学 有机化学 医学 认识论 内分泌学 哲学
作者
Xize Chen,Shanghai Wei,Jinzhi Wang,Fanglei Tong,Tilo Söhnel,Geoffrey I. N. Waterhouse,Wen Zhang,J. Kennedy,Mark P. Taylor
出处
期刊:Intermetallics [Elsevier]
卷期号:169: 108306-108306 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.intermet.2024.108306
摘要

Due to its high capacity and excellent voltage properties, the Mg2Sn intermetallic phase is considered a promising anode material for next-generation lithium-ion batteries. However, the rapid capacity loss with cycling presently limits the application of Mg2Sn-based anodes. In this work, the Mg2Sn intermetallic phase was synthesized via a conventional casting method, and mechanisms of lithium ions intercalation into Mg2Sn alloy anodes were systematically studied. Density functional theory (DFT) calculations and electrochemical analyses identified two pathways involving four electrochemical reactions for Li+ intercalation/extraction in the Mg2Sn phase. The first pathway involves the insertion reaction of lithium ions into the octahedral sites of the Mg2Sn face center cubic (FCC) matrix, whilst the second involves the substitution of Mg by Li ions (releasing Mg metal). Furthermore, ex-situ EIS analysis and DFT calculations verified that adjusting the cut-off voltage range could control the reaction pathways. Excessively high or low cut-off voltages adversely impact the stability of the Mg2Sn anode. At cut-off voltages between 0.1 and 1 V, Mg2Sn anodes show very good capacity retention (78 % after 50 cycles), benefiting from the minimized formation of metallic Mg and Sn phases.

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