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Short-Range to Long-Range Ni/Mn Order in LiMn2–xNixO4 (0.38 ≤ x ≤ 0.50) Positive Electrode Materials: A Gradual Temperature-Driven Sublattice Disorder through Antiphase Boundary Defects

尖晶石 中子衍射 结构精修 结晶学 衍射 材料科学 相界 相(物质) 分析化学(期刊) 化学 晶体结构 物理 光学 有机化学 色谱法 冶金
作者
Nicolas Emery,Ankush Bhatia,Yanis Ghaleb,Alexander O. Mitrushchenkov,Céline Léonard,Jean‐Pierre Pereira‐Ramos,Rita Baddour‐Hadjean,Ronald I. Smith
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (7): 3152-3167 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c04281
摘要

LiMn2–xNixO4 spinel phases, with their almost flat electrochemical curves composed of two plateaus around 4.7 V vs Li+/Li separated by a voltage difference ΔV of 20–60 mV, are good candidates for high power applications. The Ni/Mn order is one of the key parameters in understanding the electrochemical curve shape. In this work, the Ni/Mn order in the nickel-rich region of the spinel LiMn2–xNixO4 solid solution (0.38 ≤ x ≤ 0.50) has been investigated using time-of-flight powder neutron diffraction (TOF-PND) and density functional theory (DFT) calculations. For LiMn2–xNixO4 solid-solution samples prepared between 700 and 900 °C, Ni/Mn ordering was found to be retained to room temperature by systematic broadening of diffraction peaks with hkl indexes of mixed even/odd parity. This broadening is due to the increasing density of a planar defect called antiphase domain boundaries (APBs). DFT calculations performed on several Ni/Mn defective configurations and TOF-PND Rietveld refinement indicate that the {100} orientation of the APB boundary is the most probable. Hence, in the whole composition range, a unique ordered spinel phase within the space group P4332, with a single hkl-dependent parameter to represent the APB crossing probability, gives a measure of the Ni/Mn order coherence length. We show that this defect density is driven by the synthesis temperature and the nickel content of the spinel phase. A correlation between the synthesis condition effect on the local ordering and the voltage profile is given for two Ni/Mn initial ratios (0.4/1.6 and 0.5/1.5). The influence of the synthesis temperature on these two compositions is drastically different: for LiMn1.6Ni0.4O4, with a similar APB domain size whatever the temperature, only a slight variation of ΔV is observed. Reversely, for LiMn1.5Ni0.5O4, a strong increase of the ΔV with the synthesis temperature is evidenced, concomitant with a decrease in the APB domain size and the Ni content.
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