Atomic Structural Features of Stacking Faults and Domain Connections in the Li- and Mn-Rich Cathode

堆积 阴极 材料科学 领域(数学分析) 结晶学 纳米技术 化学 物理 核磁共振 物理化学 数学分析 数学
作者
Peng Zuo,Pavan Badami,Subhadip Mallick,Jason R. Croy,Daniel P. Abraham,Chongmin Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c02110
摘要

Li- and Mn-rich layered oxides (LMRs), a class of earth-abundant materials for rechargeable Li-ion battery cathodes, crystallize into layered structures of two different symmetries: C2/m represented by Li2MnO3 and R3̅m represented by LiMn0.5Ni0.5O2. Fundamental questions about how the C2/m and R3̅m domains spatially correlate within the same oxide grain and how the C2/m stacking faults arrange themselves when this happens still remain. Here, by using integrated differential phase contrast imaging in scanning transmission electron microscopy (STEM-iDPC), we probe the structural and compositional details of a prototypical, cobalt-free LMR material, 0.3Li2MnO3·0.7LiMn0.5Ni0.5O2 (Li1.13Mn0.57Ni0.3O2). The connection between the C2/m and R3̅m domains is found to be abrupt, facilitated by the small lattice mismatch between the two structures. Stacking faults in the C2/m domains feature atomic plane shifting that accommodates stacking sequence changes, which explains why the stacking faults form in a random manner. Furthermore, a local disordering mechanism was identified to correlate with the C2/m stacking faults. Chemically, it is found that Ni coexists with Mn at the transition metal sites within the nominal Li2MnO3 domain. This study demonstrates that STEM-iDPC is a very useful tool for capturing all the elements in a single image, revealing atomic details on domain connections and stacking faults in the LMRs.
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