Solid-Solution Vs. Two-Phase Li-Ion Storage in Nanograined Orthosilicate Cathode Materials
Notice bibliographique
Résumé
Lithium metal orthosilicate cathode materials (Li2(Fe,Mn)SiO4 denoted as LMS) have been the subject of significant research interest for the past 10 years because of the high theoretical capacity nearly two times higher than that of the analogous polyanion cathode LiFePO4 (165 mAh/g), if the two lithium ions could be fully extracted and re-inserted in multiple charge/discharge cycles. Despite significant progress, a series of critical issues-questions relating to this strategically important family of cathode materials remain open hampering their full development. One such critical issue is the mechanism of Li ion storage namely, solid-solution behavior (single-phase) vs. two-phase reaction. In analogy with the well understood two-phase separation Li storage mechanism of LiFePO4 cathode the dominant view among those investigating the orthosilicate system is that we have also a two-phase mechanism between monoclinic (P21/n) Li2FeIISiO4 and orthorhombic (Pmn21) one-Li delithiated LiFeIIISiO4. However, in many of these studies the generated discharge curves are not flat but are slanted. Such behavior has been attributed to polarization effects without further characterization leaving an important gap in our understanding. With the view of clarifying this issue we have conducted first principle calculations (1) and in situ (unpublished) and ex situ (submitted) synchrotron XRD and XANES (Fe K-edge and L-edge; Si K-edge and Oxygen K-edge) characterizations of nanostructured LFS cathode in terms of structure evolution and charge compensation at different states of charge (Li(2-x)FeSiO4, x=0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.0). This is done by charging/discharging LFS at low current (C/50) to allow for structure relaxation hence unequivocal (quasi-equilibrium condition) probing of the Li storage mechanism: solid solution vs. two-phase reaction. Furthermore, cycling is not limited to the first cycle but is extended to several cycles. For the study we employ a mixed phase (monoclinic/orthorhombic) nanograined Li2FeSiO4 material synthesized via organic-assisted hydrothermal precipitation and annealing at 400 °C (2,3). The data clearly point out towards solid solution mechanism- a finding that should bring new perspective in our pursuit of unlocking the full capacity advantage of the orthosilicate Li-ion host structure. Acknowledgments This work is supported through a Hydro-Québec/Natural Sciences & Engineering Research Council of Canada (NSERC) Collaborative R&D research grant. DTJ acknowledges NSERC support for the work done at the University of Guelph. Synchrotron radiation measurements were performed at the Canadian Light Source, which is supported by CFI, NSERC, University of Saskatchewan, Province of Saskatchewan, Western Economic Diversification Canada, NRC Canada, and CIHR. References 1. Lu, X.; Chiu, H.-C.; Bevan, H. K.; Jiang, D.-T.; Zaghib, K.; Demopoulos, P. G., Density functional theory insights into the structural stability and Li diffusion properties of monoclinic and orthorhombic Li2FeSiO4 cathodes, Journal of Power Sources, 2016, 318, 136-145. 2. Lu, X.; Wei, H. J.; Chiu, H. C.; Gauvin, R.; Hovington, P.; Guerfi, A.; Zaghib, K.; Demopoulos, G. P. Rate-dependent phase transitions in Li2FeSiO4 cathode nanocrystals, Scientific Reports, 2015, 5, 8599. 3. Arthur, Z.; Chiu, H.-C.; Lu, X.; Chen, N.; Emond, V.; Zaghib, K.; Jiang, D.-T.; Demopoulos, G. P. Spontaneous reaction between uncharged lithium iron silicate cathode and LiPF6-based electrolyte, ChemComm, 52 (2015) 190-193.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».