Charge distribution guided by grain crystallographic orientations in polycrystalline battery materials

微晶 材料科学 化学物理 电荷密度 结晶学 同质性(统计学) 电荷(物理) 纳米技术 化学 冶金 物理 计算机科学 量子力学 机器学习
作者
Zhengrui Xu,Zhisen Jiang,Chunguang Kuai,Rong Xu,Changdong Qin,Yan Zhang,Muhammad Mominur Rahman,Chenxi Wei,Dennis Nordlund,Cheng‐Jun Sun,Xianghui Xiao,Xi‐Wen Du,Kejie Zhao,Pengfei Yan,Yijin Liu,Feng Lin
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:11 (1) 被引量:167
标识
DOI:10.1038/s41467-019-13884-x
摘要

Abstract Architecting grain crystallographic orientation can modulate charge distribution and chemomechanical properties for enhancing the performance of polycrystalline battery materials. However, probing the interplay between charge distribution, grain crystallographic orientation, and performance remains a daunting challenge. Herein, we elucidate the spatially resolved charge distribution in lithium layered oxides with different grain crystallographic arrangements and establish a model to quantify their charge distributions. While the holistic “surface-to-bulk” charge distribution prevails in polycrystalline particles, the crystallographic orientation-guided redox reaction governs the charge distribution in the local charged nanodomains. Compared to the randomly oriented grains, the radially aligned grains exhibit a lower cell polarization and higher capacity retention upon battery cycling. The radially aligned grains create less tortuous lithium ion pathways, thus improving the charge homogeneity as statistically quantified from over 20 million nanodomains in polycrystalline particles. This study provides an improved understanding of the charge distribution and chemomechanical properties of polycrystalline battery materials.

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