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Tuning fermi level and band gap in Li4Ti5O12 by doping and vacancy for ultrafast Li+ insertion/extraction

费米能级 材料科学 兴奋剂 空位缺陷 带隙 中子衍射 电子结构 凝聚态物理 晶体结构 电子 化学 结晶学 光电子学 物理 量子力学
作者
Zhenya Wang,Hao Guo,De Ning,Xiaobai Ma,Lirong Zheng,Д. А. Смирнов,Kai Sun,Dongfeng Chen,Limei Sun,Xiangfeng Liu
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:104 (11): 5934-5945 被引量:21
标识
DOI:10.1111/jace.17948
摘要

Abstract Li 4 T i5 O 12 (LTO) attracts great interest due to the “zero strain” during cycles but the poor electronic and ionic conductivity critically impede the practical application. Herein, we report a synergy strategy of tuning localized electrons to shift Fermi level and band gap by Mg/Zr co‐doping and oxygen vacancy incorporation, which significantly improves Li + and electronic transport. More importantly, the intrinsic synergistic mechanism has been revealed by neutron diffraction, X‐ray absorption spectra, and first‐principles calculations. The “elastic effect” of lattice induced by Mg/Zr co‐doping allows LTO to accommodate more oxygen vacancies to a certain degree without a severe lattice distortion, which largely improves the electronic conductivity. Mg/Zr co‐doping and oxygen vacancy incorporation effectively enhanced the dynamic characteristics of LTO electrode, achieving the excellent rate performance (90 mAh/g at 20C) and cycle stability (96.9% after 500 cycles at 10C). First‐principles calculations confirm Fermi level shifts to the conduction band, and the band gap becomes narrowed due to the synergistic modulation, and the intrinsic mechanism of the enhanced electronic and Li‐ion conductivity is clarified. This study offers some insights into achieving the fast Li + insertion/extraction by tuning the crystal and electronic structure with lattice doping and oxygen vacancy engineering.
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