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Cation Vacancies Enable Anion Redox in Li Cathodes

化学 氧化还原 离子 空位缺陷 硫化物 过渡金属 插层(化学) 无机化学 化学物理 结晶学 有机化学 催化作用
作者
Seong Shik Kim,Daniil A. Kitchaev,Eshaan S. Patheria,Colin T. Morrell,Michelle D. Qian,Jessica L. Andrews,Qizhang Yan,Shu‐Ting Ko,Jian Luo,Brent C. Melot,Anton Van der Ven,Kimberly A. See
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (30): 20951-20962 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.4c05769
摘要

Conventional Li-ion battery intercalation cathodes leverage charge compensation that is formally associated with redox on the transition metal. Employing the anions in the charge compensation mechanism, so-called anion redox, can yield higher capacities beyond the traditional limitations of intercalation chemistry. Here, we aim to understand the structural considerations that enable anion oxidation and focus on processes that result in structural changes, such as the formation of persulfide bonds. Using a Li-rich metal sulfide as a model system, we present both first-principles simulations and experimental data that show that cation vacancies are required for anion oxidation. First-principles simulations show that the oxidation of sulfide to persulfide only occurs when a neighboring vacancy is present. To experimentally probe the role of vacancies in anion redox processes, we introduce vacancies into the Li2TiS3 phase while maintaining a high valency of Ti. When the cation sublattice is fully occupied and no vacancies can be formed through transition metal oxidation, the material is electrochemically inert. Upon introduction of vacancies, the material can support high degrees of anion redox, even in the absence of transition metal oxidation. The model system offers fundamental insights to deepen our understanding of structure–property relationships that govern reversible anion redox in sulfides and demonstrates that cation vacancies are required for anion oxidation, in which persulfides are formed.
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