Effect of the oxygen vacancy electronic state on Ni migration in Li0.5(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2 cathode material

尖晶石 氧气 八面体 空位缺陷 化学物理 密度泛函理论 氧化物 阴极 材料科学 离子 化学 结晶学 计算化学 物理化学 晶体结构 冶金 有机化学
作者
Ravanny W. M. Komalig,Ganes Shukri,Mohammad Kemal Agusta,Muhammad Haris Mahyuddin,Afriyanti Sumboja,Adhitya Gandaryus Saputro,Ryo Maezono,Ahmad Nuruddin,Hermawan Kresno Dipojono
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (45): 31374-31381
标识
DOI:10.1039/d3cp03396a
摘要

Cation migration coupled with oxygen vacancy formation is known to drive the layered to disordered spinel/rock-salt phase transformation in the high-Ni layered oxide cathodes of Li-ion batteries. However, the effect of different electronic states of oxygen vacancies on the cation migration still remains elusive. Here, we investigate Ni migration in delithiated Ni-rich Li0.5Ni0.8Mn0.1Co0.1O2 (hence Li0.5NMC811) in the presence of neutral and charged oxygen vacancies by means of first-principles density functional theory (DFT) calculations coupled with the nudged elastic band (NEB) method. We find that oxygen vacancies with neutral or +2 charge favor the Ni migration to Li tetrahedral and/or octahedral sites, both thermodynamically and kinetically. As for the case of +1 charged oxygen vacancies, while they thermodynamicaly favor the Ni migration to the Li site, the relatively high migration barrier suggests that they kinetically prohibit the Ni migration. Our results suggest that controlling the formation of oxygen vacancies is the key to enhancing the Ni-rich NMC structural stability in particular in their charged states.
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