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Charge Compensation Mechanisms and Oxygen Vacancy Formations in LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2: First-Principles Calculations

氧化还原 空位缺陷 氧气 材料科学 锂(药物) 电荷(物理) 密度泛函理论 电子结构 化学 化学物理 热力学 计算化学 凝聚态物理 结晶学 无机化学 物理 医学 有机化学 量子力学 内分泌学
作者
Xiaohong Shi,Yaping Wang,Xinrui Cao,Shunqing Wu,Zhufeng Hou,Zi-Zhong Zhu
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:7 (17): 14875-14886 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsomega.2c00375
摘要

Charge compensation mechanisms in the delithiation processes of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111) are compared in detail by the first-principles calculations with GGA and GGA+U methods under different U values reported in the literature. The calculations suggested that different sets of U values lead to different charge compensation mechanisms in the delithiation process. Co3+/Co4+ couples were shown to dominate the redox reaction for 1 ≥ x ≥ 2/3 by using the GGA+U1 method (U1 = 6.0 3.4 3.9 for Ni, Co, and Mn, respectively). However, by using the GGA+U2 (U2 = 6.0 5.5 4.2) method, the results indicated that the redox reaction of Ni2+/Ni3+ took place in the range of 1 ≥ x ≥ 2/3. Therefore, according to our study, experimental charge compensation processes during delithiation are of great importance to evaluate the theoretical calculations. The results also indicated that all the GGA+Ui (i = 1, 2, 3) schemes predicted better voltage platforms than the GGA method. The oxygen anionic redox reactions during delithiation are also compared with GGA+U calculations under different U values. The electronic density of states and magnetic moments of transition metals have been employed to illustrate the redox reactions during the lithium extractions in NCM111. We have also investigated the formation energies of an oxygen vacancy in NCM111 under different values of U, which is important in understanding the possible occurrence of oxygen release. The formation energy of an O vacancy is essentially dependent on the experimental conditions. As expected, the decreased temperature and increased oxygen partial pressure can suppress the formation of the oxygen vacancy. The calculations can help improve the stability of the lattice oxygen.

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