Tailoring the redox-active transition metal content to enhance cycling stability in cation-disordered rock-salt oxides

材料科学 锂(药物) 氧气 氧化还原 化学工程 无机化学 过渡金属 化学 冶金 催化作用 生物化学 医学 工程类 内分泌学 有机化学
作者
Ke Zhou,Yining Li,Shiyao Zheng,Maojie Zhang,Chunyang Zhang,Corsin Battaglia,Haodong Liu,Kuan Wang,Pengfei Yan,Jianjun Liu,Yong Yang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:43: 275-283 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.08.045
摘要

Lithium-excess cation-disordered rock-salt oxides (DRXs) are investigated intensively as cathode materials for future lithium-ion batteries combining cationic and anionic redox reactions. However, the lattice oxygen redox can cause severe oxygen release resulting in rapid capacity fading. Here, we investigate a series of xLi2TiO3-(1 - x)LiMnO2 (0 ≤ x ≤1) materials and find that only Li1.2Mn0.4Ti0.4O2 (x = 0.4) and Li1.1Mn0.7Ti0.2O2 (x= 0.2) can form phase-pure DRXs, which both deliver high capacity (> 250 mAh g−1). The newly discovered Li1.1Mn0.7Ti0.2O2 DRX exhibits remarkably high capacity retention of 84.4% after 20 cycles compared to only 60.8% for Li1.2Mn0.4Ti0.4O2. Our result indicates that the irreversible oxygen loss is reduced by raising the Mn content. Theoretical calculations further reveal that increasing the redox-active Mn content from Li1.2Mn0.4Ti0.4O2 to Li1.1Mn0.7Ti0.2O2 causes the orbitals near the Fermi level to change from O 2p non-bonding (LiOLi unhybridized orbitals) to (MnO)* antibonding bands, exhibiting a high OO aggregation barrier, preventing O2 release and resulting in sustained capacity retention. Hence, these new findings demonstrate that regulating oxygen redox by tailoring the redox-active transition metal content is an effective strategy to enhance the cycling stability of DRXs.
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