Li-rich cathode is one of the promising high capacity energy storage for future applications. While layered Lirich cathodes are studied the most, they are susceptible to phase transformation when Li is depleted. To address this problem, $\beta-Li_2MO_3$ (M = transition metal) have been considered because three-dimensionally connected transition metals can prevent the phase transformation. However, only $\beta-Li_2IrO_3$ has been reported. Therefore, first of all, we systematically investigate the trend of $\beta-Li_2MO_3$ (M = 3d, 4d, or 5d transition metals) as cyclable Li-rich cathodes using electronic structure calculations. We find the charge transfer energy (or the relative band positions) computed from density of states correlates to the activity and reversibility of oxygen redox as well as voltage. Though 3d transition metal substitutions to $\beta-Li_2MO_3$ are desired economically, it promotes O-O dimer formation, indicating the irreversible phase degradation and voltage hysteresis. After that we investigated the charge transfer energy can also predict cyclability of extended chemical space considering various TM arrangement, including TM disordered structure and different Li/M composition.
리튬 리치 양극은 높은 용량을 갖아서 차세대 에너지 저장 장치로 유망하다. 그 중 층상 구조의 리튬 리치 양극이 가장 많이 연구되어왔는데, 이 재료는 충전이 진행될 수록 상 변화에 취약해진다. 이 문제를 해결하고자 전이 금속이 3차원 네트워크를 갖는 $\beta-Li_2MO_3$가 개발되었다. 하지만, 아직 $\beta-Li_2IrO_3$만 보고되었다. 따라서, 우선은 수명특성이 우수한 리튬 리치 양극 재료의 가능성을 가진 $\beta-Li_2MO_3$(M = 3d , 4d , or 5d 전이 금속)의 전자 구조를 체계적으로 분석하여 전이 금속에 의한 효과를 이해하려 했다. 우리의 계산 결과에 따르면, 전자 구조의 특정 봉우리 간 거리로부터 추출한 Md-O2p 전하 전달 에너지가 산소의 산화 환원 반응 시 반응성과 가역성 및 전압과 상관 관계를 갖았다. 하지만, 가격 측면에서 지향되는 3d 전이 금속 사용 시, 비가역적인 상변화와 전압 이력 발생을 유발하는 산소 이합체 생성이 촉진됨을 확인했다. 이후의 연구에서는 구조의 변화, 특히 전이 금속이 무질서한 구조 및 다른 Li/M 조성 비율을 갖는 경우에 대해서도 Md -O2p 전하 전달 에너지가 수명 특성을 해석할 수 있음을 확인하였다.
