Direct physical imaging and chemical probing of LiFePO4 for lithium-ion batteries

Advanced Functional Materials

Volumn 20, Issue 24, 2010, Pages 4219-4232

  Chung, Sung Yoon ^a,b   Kim, Young Min ^c   Choi, Si Young ^d  

^a Inha University   (South Korea)

^b Nalphates LLC   (United States)

^c Korea Basic Science Institute (KBSI)   (South Korea)

^d Korea Institute of Material Science   (South Korea)

Author keywords

batteries; nanocrystals; phosphates; transmission electron microscopy

Indexed keywords

ALIOVALENTS; ATOMIC SCALE IMAGING; BATTERIES; CHEMICAL PROBING; DIRECT OBSERVATION; ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE; LI INTERCALATION; LIFEPO; LITHIUM-ION BATTERY; MATERIALS PHYSICS; METALLIC PHASIS; NANOPARTICLE FORMATION; PHYSICAL ASPECTS; PHYSICAL IMAGING; PROCESSING TECHNIQUE; SCIENTIFIC ADVANCES; SCIENTIFIC STUDIES; STRUCTURAL INSTABILITY;

INTERCALATION; LITHIUM; LITHIUM COMPOUNDS; NANOCRYSTALS; OLIVINE; PHOSPHATES; SILICATE MINERALS; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

LITHIUM ALLOYS;

EID: 78650346611     PISSN: 1616301X     EISSN: 16163028     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adfm.201000393     Document Type: Article

References (138)

1. A. Ohtomo, H. Y. Hwang, Nature 2004, 427, 423.
2. a) S. Thiel, G. Hammerl, A. Schmehl, C. W. Schneider, J. Mannhart, Science 2006, 313, 1942
3. b) W. Siemons, G. Koster, H. Yamamoto, W. A. Harrison, G. Lucovsky, T. H. Geballe, D. H. A. Blank, M. R. Beasley, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 196802.
4. N. Reyren, S. Thiel, A. D. Caviglia, L. Fitting Kourkoutis, G. Hammerl, C. Richer, C. W. Schneider, T. Kopp, A.-S. Rüetschi, D. Jaccard, M. Gabay, D. A. Muller, J.-M. Triscone, J. Mannhart, Science 2006, 317, 1196.
5. a) K. I. Bolotin, K. J. Sikes, J. Hone, H. L. Stromer, P. Kim, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 096802
6. b) A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim, Rev. Mod. Phys. 2009, 81, 109
7. c) K. S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S. V. Morozov, H. L. Stormer, U. Zeitler, J. C. Maan, G. S. Boebinger, P. Kim, A. K. Geim, Science 2007, 315, 1379.
8. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666.
9. a) M. Segal, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 612
10. b) K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J.-H. Ahn, P. Kim, J.-Y. Choi, B. H. Hong, Nature 2009, 457, 706.
11. a) L. Fu, C. L. Kane, E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 106803
12. b) D. Hsieh, D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan, Nature 2008, 452, 970
13. c) Y. Xia, D. Qian, D. Hsieh, L. Wray, A. Pal, H. Lin, A. Bansil, D. Grauer, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan, Nat. Phys. 2009, 5, 398
14. d) H. Zhang, C.-X. Liu, X.-L. Qi, X. Dai, Z. Fang, S.-C. Zhang, Nat. Phys. 2009, 5, 438.
15. Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3296.
16. a) H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, H. Hosono, Nature 2008, 453, 376
17. b) X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, D. F. Fang, Nature 2008, 453, 761.
18. a) G. F. Chen, Z. Li, D. Wu, G. Li, W. Z. Hu, J. Dong, P Zheng, J. L Luo, N. L. Wang, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 247002
19. b) I. I. Mazin, D. J. Singh,., M. D. Johannes, M. H. Du, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 057003
20. c) M. Rotter, M. Tegel, D. Johrendt, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 107006
21. d) J. Paglione, R. L. Greene, Nat. Phys. 2010, 6, 645.
22. A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, J. B. Goodenough, J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1188.
23. S.-Y. Chung, J. T. Bloking, Y.-M. Chiang, Nat. Mater. 2002, 1, 123.
24. N. Ravet, J. B. Goodenough, S. Benser, M. Simoneau, P. Hovington, M. Armand, presented at The Electrochemical Society Meeting (Abstract no. 127), Honululu, HI, USA, October 17-22 1999.
25. Thomson Reuters, (accessed Feb. 2010).
26. a) C. Macilwain, Nature 2006, 444, 16
27. b) Editorial, Nat. Mater. 2006, 5, 921.
28. a) M. S. Whittingham, Chem. Rev. 2004, 104, 4271
29. b) P. G. Bruce, B. Scrosati, J.-M. Tarascon, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2930
30. c) D. Jugović, D. Uskoković, J. Power Sources 2009, 190, 538.
31. a) Lithium Batteries; Science and Technology (Eds:, G.-A. Nazri, G. Pistoia,), Kluwer Academic Publisher, Boston 2004; b) Lithium Ion Rechargeable Batteries (Ed:, K. Ozawa,), Wiley-VCH, Weinheim 2009.
32. a) C. Burda, X. Chen, R. Narayanan, M. A. El-Sayed, Chem. Rev. 2005, 105, 1025
33. b) J. Park, J. Joo, S G. Kwon, Y. Jang, T. Hyeon, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4630.
34. a) F. V. Mikulec, M. Kuno, M. Bennati, D. A. Hall, R. G. Griffin, M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2532
35. b) P. V. Radovanovic, D. R. Gamelin, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12207
36. c) S. C. Erwin, L. Zu, M. I. Haftel, A. L. Efros, T. A. Kennedy, D. J. Norris, Nature 2005, 436, 91
37. d) Y. Yang, O. Chen, A. Angerhofer, Y. C. Cao, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15649.
38. a) N. Ravet, A. Abouimrane, M. Armand, Nat. Mater. 2003, 2, 702
39. b) M. S. Islam, D. J. Driscoll, C. A. J. Fisher, P. R. Slater, Chem. Mater. 2005, 17, 5085
40. c) C. Delacourt, C. Wurim, L. Laffont, J.-B. Leriche, C. Masquelier, Solid State Ionics 2006, 177, 333
41. d) B. Ellis, P. S. Herle, Y.-H. Rho, L. F. Nazar, R. Dunlap, L. K. Perry, D. H. Ryan, Faraday Discuss. 2007, 134, 119
42. e) K. Zaghib, A. Mauger, J. B. Goodenough, F. Gendron, C. M. Julien, Chem. Mater. 2007, 19, 3740
43. f) C. A. J. Fisher, V. M. Hart Prieto, M. S. Islam, Chem. Mater. 2008, 20, 5907
44. g) M. Wagemaker, B. L. Ellis, D. Lützenkirchen-Hecht, F. M. Mulder, L. F. Nazar, Chem. Mater. 2008, 20, 6313.
45. a) S. Shi, L. Liu, C. Ouyang, D. Wang, Z. Wang, L. Chen, X. Huang, Phys. Rev. B 2003, 68, 195108
46. b) M. Abbate, S. M. Lala, L. A. Montoro, J. M. Rosolen, Electrochem. Solid-State Lett. 2005, 8, A288
47. c) R. Amin, C. Lin, J. Maier, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 3519-3523
48. d) J. Hong, C. S. Wang, X. Chen, S. Upreti, M. S. Whittingham, Electrochem. Solid-State Lett. 2009, 12, A33
49. e) N. Meethong, Y.-H. Kao, S. A. Speakman, Y.-M. Chiang, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1060
50. f) L. Wu, X.-H. Li, Z.-X. Wang, L.-J. Li, J.-C. Zheng, H.-J. Guo, Q.-Y. Hu, J. Fang, J. Power Sources 2009, 189, 681
51. g) C. S. Sun, Z. Zhou, Z. G. Xu, D. G. Wang, J. P. Wei, X. K. Bian, J. Yan, J. Power Sources 2009, 193, 841
52. h) R. Amin, C. Lin, J. Peng, K. Weichert, T. Acartürk, U. Starke, J. Maier, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1679.
53. S.-Y. Chung, S.-Y. Choi, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 125502.
54. S.-Y. Chung, S.-Y. Choi, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 543.
55. R. D. Shannon, Acta Crystallogr. A 1976, 32, 751.
56. D. J. Norris, A. L. Efros, S. C. Erwin, Science 2008, 319, 1776.
57. a) C. J. Peng, H. Y. Lu, J. Am. Ceram. Soc. 1988, 71, C44
58. b) N. Kurata, M. Kuwabara, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76, 1605
59. c) B. Huybrechts, K. Ishizaki, M. Takata, J. Mater. Sci. 1995, 30, 2463.
60. R. Amin, J. Maier, Solid State Ionics 2008, 178, 1831.
61. a) A. Yamada,., H. Koizumi, N. Sonoyama, R. Kanno, Electrochem. Solid-State Lett. 2005, 8, A409
62. b) A. Yamada,., H. Koizumi, S. Nishimura, N. Sonoyama, R. Kanno, M. Yonemura, T. Nakamura, Y. Kobayashi, Nat. Mater. 2006, 5, 357
63. c) G. Kobayashi, S. Nishimura, M.-S. Park, R. Kanno, M. Yashima, T. Ida, A. Yamada, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 395.
64. a) N. Meethong, H.-Y. S. Huang, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, Electrochem. Solid-State Lett. 2007, 10, A134
65. b) N. Meethong, H.-Y. S. Huang, W. C. Carter, Y.-M. Chiang, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1115.
66. S.-Y. Chung, Y.-M. Chiang, Electrochem. Solid-State Lett. 2003, 6, A278.
67. P. Subramanya Herle, B. Ellis, N. Coombs, L. F. Nazar, Nat. Mater. 2004, 3, 147.
68. th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB) (Abstract no. 429), Nara, Japan, June 27-July 4 2004.
69. D. B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science, Plenum Press, New York 1996.
70. D. E. Jesson, S. J. Pennycook, Proc. R. Soc. Lond. A 1993, 441, 261.
71. F. Luo, H.-L. Su, W. Song, Z. M. Wang, Z.-G. Yan, C.-H. Yan, J. Mater. Chem. 2004, 14, 111.
72. R. Hasegawa, J. A. Dermon, Phys. Lett. A 1973, 42, 407.
73. Y.-H. Rho, L. F. Nazar, L. Perry, D. Ryan, J. Electrochem. Soc. 2007, 154, A283.
74. B. L. Ellis, K. T. Lee, L. F. Nazar, Chem. Mater. 2010, 22, 691.
75. a) C. W. Kim, J. S. Park, K. S. Lee, J. Power Sources 2006, 163, 144
76. b) Y. Xu, Y. Lu, L. Yan, Z. Yang, R. Yang, J. Power Sources 2006, 160, 570
77. c) J. Wolfenstine, J. Power Sources 2006, 158, 1431
78. d) M.-S. Song, Y.-M. Kang, J.-H. Kim, H.-S. Kim, D.-Y. Kim, H.-S. Kwon, J.-Y. Lee, J. Power Sources 2007, 166, 260
79. e) M.-S. Song, D.-Y. Kim, Y.-M. Kang, Y.-I. Km, J.-Y. Lee, H.-S. Kwon, J. Power Sources 2007, 180, 546
80. f) H. Liu, J. Xie, K. Wang, Solid State Ionics 2008, 179, 1768
81. g) M.-S. Song, Y.-M. Kang, Y.-I. Km, K.-S. Park, H.-S. Kwon, Inorg. Chem. 2009, 48, 8271.
82. D. P. Chen, A. Maljuk, C. T. Lin, J. Cryst. Growth 2005, 284, 86.
83. a) D. M. Smyth, The Defect Chemistry of Metal Oxides, Oxford University Press, New York 2000
84. b) S.-Y. Chung, D. Y. Yoon, S.-J. L. Kang, Acta Mater. 2002, 50, 3361.
85. a) D. W. Oxtoby, Acc. Chem. Res. 1998, 31, 91
86. b) J. W. Mullin, Crystallization, 4th ed., Elsevier, Amsterdam 2004.
87. a) J. Zhu, M. Li, R. Rogers, W. Meyer, R. H. Ottewill, STS-73 Space Shuttle Crew, W. B. Russel, P. M. Chaikin, Nature 1997, 387, 883
88. b) S.-T. Yau, P. G. Vekilov, Nature 2000, 406, 494
89. c) U. Gasser, E. R. Weeks, A. Schofield, P. N. Pusey, D. A. Weitz, Science 2001, 292, 258
90. d) O. Gliko, N. Neumaier, W. Pan, I. Haase, M. Fischer, A. Bacher, S. Weinkauf, P. G. Vekilov, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3433.
91. W. Ostwald, Z. Phys. Chem. 1897, 22, 289.
92. a) P. R. Ten Wolde, D. Frenkel, Science 1997, 277, 1975
93. b) S. Auer, D. Frenkel, Nature 2001, 409, 1020
94. c) P. G. Vekilov, Cryst. Growth Des. 2004, 4, 671
95. d) J. F. Lutsko, G. Nicolas, Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 046102.
96. a) F. C. Meldrum, H. Cölfen, Chem. Rev. 2008, 108, 4332
97. b) N. A. J. M. Sommerdijk, G. de With, Chem. Rev. 2008, 108, 4499
98. c) L. Wang, G. H. Nancollas, Chem. Rev. 2008, 108, 4628.
99. S.-Y. Chung, Y.-M. Kim, J.-G. Kim, Y.-J. Kim, Nat. Phys. 2009, 5, 68.
100. F. Millange, M. I. Medina, N. Guillou, G. Férey, K. M. Golden, R. I. Walton, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 763.
101. S. J. L. Billinge, Nat. Phys. 2009, 5, 13.
102. a) D. Gebauer, A. Völkel, H. Cölfen, Science 2008, 322, 1819
103. b) E. M. Pouget, P. H. H. Bomans, J. A. C. M. Goos, P. M. Frederik, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Science 2008, 323, 1455.
104. R. C. Evans, An Introduction to Crystal Chemistry, 2nd ed., Cambridge University Press, London 1966.
105. a) F. Princivalle, Mineral. Petrol. 1990, 43, 121
106. b) G. Ottonello, F. Princivalle, A. Della Giusta, Phys. Chem. Miner. 1990, 17, 301.
107. a) D. Morgan, A. Van Der Van, G. Ceder, Electrochem. Soild-State Lett. 2004, 7, A30
108. b) C. Ouyang, S. Shi, Z. Wang, X. Huang, L. Chen, Phys. Rev. B 2004, 69, 104303.
109. S.-I. Nishimura, G. Kobayashi, K. Ohoyama, R. Kanno, M. Yashima, A. Yamada, Nat. Mater. 2008, 7, 707.
110. S. J. L. Billinge, I. Levin, Science 2007, 316, 561.
111. G. Chen, X. Song, T. J. Richardson, Electrochem. Soild-State Lett. 2006, 9, A295.
112. P. Moreau, V. Mauchamp, F. Pailloux, F. Boucher, Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 123111.
113. L. Laffont, C. Delacourt, P. Gibot, M. Y. Wu, P. Kooyman, C. Masquelier,., J. M. Tarascon, Chem. Mater. 2006, 18, 5520.
114. K. W. Urban, Science 2008, 321, 506.
115. a) J. C. Meyer, C. Kisielowski, R. Erni, M. D. Rossell, M. F. Crommie, A. Zettl, Nano Lett. 2008, 11, 3582
116. b) C. Jin, F. Lin, K. Suenaga, S. Iijima, Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 195505
117. c) M. D. Rossell, R. Erni, M. Asta, V. Radmilovic, U. Dahmen, Phys. Rev. B 2009, 80, 024110
118. d) A. Chuvilin, A. N. Khlobystov, D. Obergfell, M. Haluska, S. Yang, S. Roth, U. Kaiser, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 193.
119. a) M. Bosman, V. J. Keast, J. L. García-Muñoz, A. J. D'Alfonso, S. D. Findlay, L. J. Allen, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 086102
120. b) D. A. Muller, L. Fitting Kourkoutis, M. Murfitt, J. H. Song, H. Y. Hwang, J. Silcox, N. Dellby, O. L. Krivanek, Science 2008, 319, 1073
121. c) S.-Y. Choi, S.-Y. Chung, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, Adv. Mater. 2009, 21, 885
122. d) K. Suenaga, Y. Sato, Z. Liu, H. Kataura, T. Okazaki, K. Kimoto, H. Sawada, T. Sasaki, K. Omoto, T. Tomita, T. Kaneyama, Y. Kondo, Nat. Chem. 2009, 1, 415.
123. a) R. Amin, P. Balaya, J. Maier, Electrochem. Soild-State Lett. 2007, 10, A13
124. b) R. Amin, J. Maier, P. Balaya, D. P. Chen, C. T. Lin, Solid State Ionics 2008, 179, 1683.
125. H. Takahashi, M. Kato, M. Matsuura, D. Mobbs, T. Suhara, Y. Okubo, Science 2009, 323, 937.
126. a) S. Kawata, Y. Inouye, P. Verma, Nat. Photonics 2009, 3, 338
127. b) S. W. Hell, R. Schmidt, A. Egner, Nat. Photonics 2009, 3, 381.
128. a) N. Blow, Nature 2008, 456, 825
129. b) R. Fung, V. Shneerson, D. K. Saldin, A. Ourmazd, Nat. Phys. 2009, 5, 64
130. c) H. Tanaka, T. Kawai, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 518
131. d) L. Wang, Nat. Photonics 2009, 3, 503.
132. a) C. Marois, B. Macintosh, T. Barman, B. Zuckerman, I. Song, J. Patience, D. Lafreniëre, R. Doyon, Science 2008, 322, 1348
133. b) J. J. Dalcanton, Nature 2009, 457, 41.
134. a) J. Dik, K. Janssens, G. Van Der Snickt, L. Van Der Loeff, K. Rickers, M. Cotte, Anal. Chem. 2008, 80, 6436
135. b) K. Krug, L. Porra, P. Coan, A. Wallert, J. Dik, A. Coerdt, A. Bravin, M. Elyyan, P. Reischig, L. Helfen, T. Baumbach, J. Synchrotron Rad. 2008, 15, 55.
136. S.-Y. Chung, unpublished.
137. B. B. Van Aken, J.-P. Rivera, H. Schmid, M. Fiebig, Nature 2007, 449, 702.
138. J. Li, W. Tian, Y. Chen, J. L. Zarestky, J. W. Lynn, D. Vaknin, Phys. Rev. B 2009, 79, 144410.