Skip to main content
Erschienen in: Journal of Electroceramics 2-4/2017

24.11.2016

Effect of transition metal substitution on elastoplastic properties of LiMn2O4 spinel

verfasst von: Frank P. McGrogan, Yet-Ming Chiang, Krystyn J. Van Vliet

Erschienen in: Journal of Electroceramics | Ausgabe 2-4/2017

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

LiMn2O4 (LMO) derivatives partially substituted with transition metals (e.g., Ni) have received attention for their higher energy density achieved at higher charge voltage than pure LMO, and may be attractive cathode candidates for emerging all solid state batteries. Accurate mechanical properties of these high voltage spinels are required for prediction of electrode and electrolyte fracture that may compromise battery lifetime and performance. Here, we quantified the Young’s elastic modulus E and hardness H for LMO, LiMn1.5Ni0.5O4 (LMNO), and LiMn1.5Ni0.42Fe0.08O4 (LMNFO) spinel microparticles via instrumented grid nanoindentation. Elastic modulus E and hardness H increased by more than 40% (up to 145 and 11 GPa, respectively) as a result of Ni or Ni/Fe substitution; such substitution also reduces the lattice parameter and increases the oxidization state of Mn. These results demonstrate how changes in transition metal occupancy can significantly affect the mechanical properties of LMO spinel, and provide critical parameters for designing against fracture in all solid state batteries.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Anhänge
Nur mit Berechtigung zugänglich
Literatur
1.
Zurück zum Zitat J. Li, C. Ma, M. Chi, C. Liang, N. J. Dudney, Adv. Energy Mater. 5, 1401408 (2015)CrossRef J. Li, C. Ma, M. Chi, C. Liang, N. J. Dudney, Adv. Energy Mater. 5, 1401408 (2015)CrossRef
2.
Zurück zum Zitat J. G. Kim, B. Son, S. Mukherjee, N. Schuppert, A. Bates, O. Kwon, M. J. Choi, H. Y. Chung, S. Park, J. Power Sources 282, 299 (2015)CrossRef J. G. Kim, B. Son, S. Mukherjee, N. Schuppert, A. Bates, O. Kwon, M. J. Choi, H. Y. Chung, S. Park, J. Power Sources 282, 299 (2015)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat K. R. Chemelewski, E.-S. Lee, W. Li, A. Manthiram, Chem. Mater. 25, 2890 (2013)CrossRef K. R. Chemelewski, E.-S. Lee, W. Li, A. Manthiram, Chem. Mater. 25, 2890 (2013)CrossRef
6.
7.
Zurück zum Zitat X. Q. Yang, X. Sun, S. J. Lee, J. McBreen, S. Mukerjee, M. L. Daroux, X. K. Xing, Electrochem. Solid-State Lett. 2, 157 (1999)CrossRef X. Q. Yang, X. Sun, S. J. Lee, J. McBreen, S. Mukerjee, M. L. Daroux, X. K. Xing, Electrochem. Solid-State Lett. 2, 157 (1999)CrossRef
8.
Zurück zum Zitat T. Ohzuku, M. Kitagawa, T. Hirai, J. Electrochem. Soc. 137, 769 (1990)CrossRef T. Ohzuku, M. Kitagawa, T. Hirai, J. Electrochem. Soc. 137, 769 (1990)CrossRef
9.
Zurück zum Zitat S. R. Bishop, D. Marrocchelli, C. Chatzichristodoulou, N. H. Perry, M. B. Mogensen, H. L. Tuller, E. D. Wachsman, Annu. Rev. Mater. Res. 44, 205 (2014)CrossRef S. R. Bishop, D. Marrocchelli, C. Chatzichristodoulou, N. H. Perry, M. B. Mogensen, H. L. Tuller, E. D. Wachsman, Annu. Rev. Mater. Res. 44, 205 (2014)CrossRef
10.
Zurück zum Zitat W. H. Woodford, Y.-M. Chiang, W. C. Carter, J. Electrochem. Soc. 157, A1052 (2010)CrossRef W. H. Woodford, Y.-M. Chiang, W. C. Carter, J. Electrochem. Soc. 157, A1052 (2010)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat W. H. Woodford, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, J. Electrochem. Soc. 161, F3005 (2014)CrossRef W. H. Woodford, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, J. Electrochem. Soc. 161, F3005 (2014)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat W. H. Woodford, Y.-M. Chiang, W. C. Carter, J. Electrochem. Soc. 160, A1286 (2013)CrossRef W. H. Woodford, Y.-M. Chiang, W. C. Carter, J. Electrochem. Soc. 160, A1286 (2013)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat J. Vetter, P. Novák, M. R. Wagner, C. Veit, K.-C. Möller, J. O. Besenhard, M. Winter, M. Wohlfahrt-Mehrens, C. Vogler, A. Hammouche, J. Power Sources 147, 269 (2005)CrossRef J. Vetter, P. Novák, M. R. Wagner, C. Veit, K.-C. Möller, J. O. Besenhard, M. Winter, M. Wohlfahrt-Mehrens, C. Vogler, A. Hammouche, J. Power Sources 147, 269 (2005)CrossRef
14.
15.
Zurück zum Zitat R. Narayanrao, M. M. Joglekar, S. Inguva, J. Electrochem. Soc. 160, A125 (2013)CrossRef R. Narayanrao, M. M. Joglekar, S. Inguva, J. Electrochem. Soc. 160, A125 (2013)CrossRef
16.
Zurück zum Zitat Q. Zhong, A. Bonakdarpour, M. Zhang, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 144, 205 (1997)CrossRef Q. Zhong, A. Bonakdarpour, M. Zhang, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 144, 205 (1997)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat A. Manthiram, K. Chemelewski, E.-S. Lee, Energy Environ. Sci. 7, 1339 (2014)CrossRef A. Manthiram, K. Chemelewski, E.-S. Lee, Energy Environ. Sci. 7, 1339 (2014)CrossRef
19.
Zurück zum Zitat G. T.-K. Fey, C.-Z. Lu, T. P. Kumar, J. Power Sources 115, 332 (2003)CrossRef G. T.-K. Fey, C.-Z. Lu, T. P. Kumar, J. Power Sources 115, 332 (2003)CrossRef
20.
Zurück zum Zitat D. Aurbach, B. Markovsky, Y. Talyossef, G. Salitra, H.-J. Kim, S. Choi, J. Power Sources 162, 780 (2006)CrossRef D. Aurbach, B. Markovsky, Y. Talyossef, G. Salitra, H.-J. Kim, S. Choi, J. Power Sources 162, 780 (2006)CrossRef
21.
Zurück zum Zitat T. A. Arunkumar, A. Manthiram, Electrochem. Solid-State Lett. 8, A403 (2005)CrossRef T. A. Arunkumar, A. Manthiram, Electrochem. Solid-State Lett. 8, A403 (2005)CrossRef
22.
23.
24.
Zurück zum Zitat Y. Lin, Y. Yang, H. Ma, Y. Cui, W. L. Mao, J. Phys. Chem. C 115, 9844 (2011)CrossRef Y. Lin, Y. Yang, H. Ma, Y. Cui, W. L. Mao, J. Phys. Chem. C 115, 9844 (2011)CrossRef
25.
Zurück zum Zitat J. Sugiyama, T. Tamura, H. Yamauchi, J. Phys. Condens. Matter 7, 9755 (1995)CrossRef J. Sugiyama, T. Tamura, H. Yamauchi, J. Phys. Condens. Matter 7, 9755 (1995)CrossRef
26.
Zurück zum Zitat A. Paolone, R. Cantelli, G. Rousse, C. Masquelier, J. Phys. Condens. Matter 15, 457 (2003)CrossRef A. Paolone, R. Cantelli, G. Rousse, C. Masquelier, J. Phys. Condens. Matter 15, 457 (2003)CrossRef
27.
Zurück zum Zitat Y. Qi, L. G. Hector Jr., C. James, K. J. Kim, J. Electrochem. Soc. 161, F3010 (2014)CrossRef Y. Qi, L. G. Hector Jr., C. James, K. J. Kim, J. Electrochem. Soc. 161, F3010 (2014)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat S. Lee, J. Park, A. M. Sastry, W. Lu, J. Electrochem. Soc. 160, A968 (2013)CrossRef S. Lee, J. Park, A. M. Sastry, W. Lu, J. Electrochem. Soc. 160, A968 (2013)CrossRef
29.
Zurück zum Zitat G. E. Grechnev, R. Ahuja, B. Johansson, O. Eriksson, Phys. Rev. B 65, 174408 (2002)CrossRef G. E. Grechnev, R. Ahuja, B. Johansson, O. Eriksson, Phys. Rev. B 65, 174408 (2002)CrossRef
30.
Zurück zum Zitat H.-Y. Amanieu, D. Rosato, M. Sebastiani, F. Massimi, D. C. Lupascu, Mater. Sci. Eng. A 593, 92 (2014)CrossRef H.-Y. Amanieu, D. Rosato, M. Sebastiani, F. Massimi, D. C. Lupascu, Mater. Sci. Eng. A 593, 92 (2014)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat H.-Y. Amanieu, M. Aramfard, D. Rosato, L. Batista, U. Rabe, D. C. Lupascu, Acta Mater. 89, 153 (2015)CrossRef H.-Y. Amanieu, M. Aramfard, D. Rosato, L. Batista, U. Rabe, D. C. Lupascu, Acta Mater. 89, 153 (2015)CrossRef
33.
Zurück zum Zitat M. Z. Mughal, R. Moscatelli, H.-Y. Amanieu, M. Sebastiani, Scr. Mater. 116, 62 (2016)CrossRef M. Z. Mughal, R. Moscatelli, H.-Y. Amanieu, M. Sebastiani, Scr. Mater. 116, 62 (2016)CrossRef
34.
Zurück zum Zitat W. Yan, C. L. Pun, G. P. Simon, Compos. Sci. Technol. 72, 1147 (2012)CrossRef W. Yan, C. L. Pun, G. P. Simon, Compos. Sci. Technol. 72, 1147 (2012)CrossRef
36.
Zurück zum Zitat W. Yan, L. P. Chung, Z. Wu, G. P. Simon, Compos. Part B 42, 2093 (2011)CrossRef W. Yan, L. P. Chung, Z. Wu, G. P. Simon, Compos. Part B 42, 2093 (2011)CrossRef
37.
Zurück zum Zitat M. Qu, W. H. Woodford, J. M. Maloney, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, K. J. Van Vliet, Adv. Energy Mater. 2, 940 (2012)CrossRef M. Qu, W. H. Woodford, J. M. Maloney, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, K. J. Van Vliet, Adv. Energy Mater. 2, 940 (2012)CrossRef
38.
Zurück zum Zitat J. G. Swallow, W. H. Woodford, F. P. McGrogan, N. Ferralis, Y.-M. Chiang, K. J. Van Vliet, J. Electrochem. Soc. 161, F3084 (2014)CrossRef J. G. Swallow, W. H. Woodford, F. P. McGrogan, N. Ferralis, Y.-M. Chiang, K. J. Van Vliet, J. Electrochem. Soc. 161, F3084 (2014)CrossRef
39.
Zurück zum Zitat G. Constantinides, K. S. Ravi Chandran, F.-J. Ulm, K. J. Van Vliet, Mater. Sci. Eng. A 430, 189 (2006)CrossRef G. Constantinides, K. S. Ravi Chandran, F.-J. Ulm, K. J. Van Vliet, Mater. Sci. Eng. A 430, 189 (2006)CrossRef
40.
Zurück zum Zitat F.-J. Ulm, M. Vandamme, C. Bobko, J. A. Ortega, K. Tai, C. Ortiz, J. Am. Ceram. Soc. 90, 2677 (2007)CrossRef F.-J. Ulm, M. Vandamme, C. Bobko, J. A. Ortega, K. Tai, C. Ortiz, J. Am. Ceram. Soc. 90, 2677 (2007)CrossRef
41.
Zurück zum Zitat G. M. Pharr, W. C. Oliver, F. R. Brotzen, J. Mater. Res. 7, 613 (1992)CrossRef G. M. Pharr, W. C. Oliver, F. R. Brotzen, J. Mater. Res. 7, 613 (1992)CrossRef
45.
Zurück zum Zitat J. Xiao, X. Chen, P. V Sushko, M. L. Sushko, L. Kovarik, J. Feng, Z. Deng, J. Zheng, G. L. Graff, Z. Nie, D. Choi, J. Liu, J.-G. Zhang, and M. S. Whittingham, Adv. Mater.. 24, 2109 (2012). J. Xiao, X. Chen, P. V Sushko, M. L. Sushko, L. Kovarik, J. Feng, Z. Deng, J. Zheng, G. L. Graff, Z. Nie, D. Choi, J. Liu, J.-G. Zhang, and M. S. Whittingham, Adv. Mater.. 24, 2109 (2012).
46.
47.
Zurück zum Zitat X. Zhang, W. Shyy, A. M. Sastry, J. Electrochem. Soc. 154, A910 (2007)CrossRef X. Zhang, W. Shyy, A. M. Sastry, J. Electrochem. Soc. 154, A910 (2007)CrossRef
48.
Zurück zum Zitat J. G. Swallow, J. J. Kim, M. Kabir, J. F. Smith, H. L. Tuller, S. R. Bishop, K. J. Van Vliet, Acta Mater. 105, 16 (2016)CrossRef J. G. Swallow, J. J. Kim, M. Kabir, J. F. Smith, H. L. Tuller, S. R. Bishop, K. J. Van Vliet, Acta Mater. 105, 16 (2016)CrossRef
Metadaten
Titel
Effect of transition metal substitution on elastoplastic properties of LiMn2O4 spinel
verfasst von
Frank P. McGrogan
Yet-Ming Chiang
Krystyn J. Van Vliet
Publikationsdatum
24.11.2016
Verlag
Springer US
Erschienen in
Journal of Electroceramics / Ausgabe 2-4/2017
Print ISSN: 1385-3449
Elektronische ISSN: 1573-8663
DOI
https://doi.org/10.1007/s10832-016-0057-7

Weitere Artikel der Ausgabe 2-4/2017

Journal of Electroceramics 2-4/2017 Zur Ausgabe

Neuer Inhalt