Elucidating and Mitigating the Degradation of Cationic–Anionic Redox Processes in Li1.2Mn0.4Ti0.4O2 Cation-Disordered Cathode Materials

氧化还原 阳离子聚合 材料科学 电化学 阴极 半反应 离子键合 无机化学 析氧 化学工程 化学 电极 离子 物理化学 有机化学 工程类 高分子化学
作者
Ke Zhou,Shiyao Zheng,Haodong Liu,Chunyang Zhang,Haowen Gao,Mingzeng Luo,Ningbo Xu,Yuxuan Xiang,Xiangsi Liu,Guiming Zhong,Yong Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (49): 45674-45682 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.9b16011
摘要

Cation-disordered rock-salt oxides with the O2–/O2n– redox reaction, such as Li1.2Mn0.4Ti0.4O2 (LMTO), are critical Li-rich cathode materials for designing high-energy-density batteries. Understanding the cationic–anionic redox accompanying the structural evolution process is really imperative to further improve the performance. In this work, the cationic–anionic redox and capacity degradation mechanism of carbon-coated LMTO during (dis)charge processes are elucidated by combining in situ X-ray diffraction, X-ray absorption near-edge spectroscopy, differential electrochemical mass spectrometry, transmission electron microscopy, and electrochemical analyses. It is concluded that the redox reaction of Mn2+/Mn4+ is quite stable, while the severe degradation is mainly caused by the O2–/O2n– redox process. Moreover, we clearly clarify how the cationic–anionic interplay governs sluggish kinetics, large polarization, and capacity fading in LMTO, and reveal for the first time that a certain amount of carbon coating is capable of suppressing the irreversible lattice oxygen loss and results in an encouraging cycling performance. In summary, we elucidate the degradation of cationic–anionic redox processes in cation-disordered cathode materials and propose strategies for adjusting the electronic/ionic conductivity of the electrodes to modulate the oxygen redox reactions, setting a new direction for the design of better cation-disordered oxides.
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