Estructura dinámica Evolución del espinel de alto voltaje extensamente deslitizado Li₁₊Ni_0.5Mn_1.5O₄ x < 1.5

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Química del estado sólido

Sus antecedentes:

• Los materiales de espinel de alta tensión, específicamente Li_{Ni0.5Mn1.5O4, son cátodos prometedores sin cobalto para baterías avanzadas de iones de litio.}
• Extender la ventana de tensión operativa de estos espineles teóricamente aumenta la energía específica, pero conduce a la degradación del rendimiento.
• Las dinámicas estructurales subyacentes responsables de la disminución de la capacidad y la polarización de la tensión en el rango de tensión extendido siguen siendo poco conocidas.

Objetivo del estudio:

• Para dilucidar la evolución estructural dinámica de LiNi_0.5Mn_1.5O₄ durante los ciclos extendidos de litiación/delitiación.
• Para correlacionar los cambios estructurales observados con el rendimiento electroquímico, en particular la polarización de voltaje y el desvanecimiento de la capacidad.
• Proporcionar una explicación completa de los perfiles de tensión únicos observados en la ventana de potencial extendida.

Principales métodos:

• La entropimetría potencial se empleó para estudiar las propiedades termodinámicas.
• La difracción de rayos X operando (XRD) y la difracción de neutrones se utilizaron para monitorear los cambios estructurales in situ.
• Se aplicó el método de entropía máxima para analizar los datos de difracción de neutrones de las fases liticadas.

Principales resultados:

• Se observó una reacción de dos fases (de cúbica a tetragonal) alrededor de 2,8 V, con una fase tetragonal secundaria (x > 2) evolucionando.
• Una fase cúbica intermedia formada con un contenido de litio de x = 1,5 durante la deslitización.
• La difracción de neutrones reveló iones de litio que ocupan sitios octaédricos (8a) y tetraédricos (4a) en la fase tetragonal distorsionada (I4_{1amd) para estados altamente litidos (2 x < 2.5).}

Conclusiones:

• La evolución estructural, incluidas las transiciones de fase y la ocupación del sitio de iones de litio, proporciona una explicación concluyente para los pasos de voltaje observados (2,10 V y ~ 3,80 V) y el perfil de voltaje inclinado por debajo de 1,80 V.
• La comprensión de estas dinámicas estructurales es crucial para mitigar el desvanecimiento de la capacidad y la polarización de voltaje en los materiales de cátodo de spinel de alta tensión.
• Esta investigación contribuye al desarrollo de baterías de iones de litio libres de cobalto más estables y densas en energía.