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Extended Solid Solutions and Coherent Transformations in Nanoscale Olivine Cathodes

材料科学 亚稳态 相(物质) 固溶体 衍射 锂(药物) 橄榄石 纳米颗粒 粒子(生态学) 电池(电) 化学物理 充电顺序 纳米尺度 阴极 电荷(物理) 热力学 纳米技术 矿物学 化学 物理化学 物理 功率(物理) 光学 冶金 有机化学 内分泌学 海洋学 医学 量子力学 地质学
作者
Dorthe Bomholdt Ravnsbæk,Kai Xiang,Xing Wang,Olaf J. Borkiewicz,Kamila M. Wiaderek,Paul Gionet,Karena W. Chapman,Peter J. Chupas,Yet‐Ming Chiang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:14 (3): 1484-1491 被引量:133
标识
DOI:10.1021/nl404679t
摘要

Nanoparticle LiFePO4, the basis for an entire class of high power Li-ion batteries, has recently been shown to exist in binary lithiated/delithiated states at intermediate states of charge. The Mn-bearing version, LiMnyFe1–yPO4, exhibits even higher rate capability as a lithium battery cathode than LiFePO4 of comparable particle size. To gain insight into the cause(s) of this desirable performance, the electrochemically driven phase transformation during battery charge and discharge of nanoscale LiMn0.4Fe0.6PO4 of three different average particle sizes, 52, 106, and 152 nm, is investigated by operando synchrotron radiation powder X-ray diffraction. In stark contrast to the binary lithiation states of pure LiFePO4 revealed in recent investigations, the formations of metastable solid solutions covering a remarkable wide compositional range, including while in two-phase coexistence, are observed. Detailed analysis correlates this behavior with small elastic misfits between phases compared to either pure LiFePO4 or LiMnPO4. On the basis of time- and state-of-charge dependence of the olivine structure parameters, we propose a coherent transformation mechanism. These findings illustrate a second, completely different phase transformation mode for pure well-ordered nanoscale olivines compared to the well-studied case of LiFePO4.
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