Toward Improving the Thermal Stability of Negative Electrode Materials: Differential Scanning Calorimetry and In Situ High-Temperature X-ray Diffraction/X-ray Absorption Spectroscopy Studies of Li2ZnTi3O8 and Related Compounds

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作者
Kazuhiko Mukai,Takeshi Uyama,Takamasa Nonaka
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 15605-15615 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01123
摘要

Negative electrode materials with high thermal stability are a key strategy for improving the safety of lithium-ion batteries for electric vehicles without requiring built-in safety devices. To search for crucial clues into increasing the thermal stability of these materials, we performed differential scanning calorimetry (DSC) and in situ high-temperature (HT)-X-ray diffraction (XRD)/X-ray absorption (XAS) up to 450 °C with respect to a solid-solution compound of Li4/3–2x/3ZnxTi5/3–x/3O4 with 0 ≤ x ≤ 0.5. The DSC profile of fully discharged x = 0.5 (Li2ZnTi3O8) with a LiPF6-based electrolyte could be divided into three temperature (T) regions: (i) T ≤ 250 °C for ΔHaccumi, (ii) 250 °C < T ≤ 350 °C for ΔHaccumii, and (iii) T > 350 °C for ΔHaccumiii, where ΔHaccumn is the accumulated change in enthalpy in region n. The HT-XRD/XAS analyses clarified that ΔHaccumi and ΔHaccumii originated from the decomposition of solid electrolyte interphase (SEI) films and the formation of a LiF phase, respectively. Comparison of the DSC profiles with x = 0 (Li[Li1/3Ti5/3]O4) and graphite revealed the operating voltage, i.e., amount of SEI films, and stability of the crystal lattice play significant roles in the thermal stability of negative electrode materials. Indeed, the highest thermal stability was attained at x = 0.25 using this approach.
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