Order-disorder transition mechanism for high-capacity amorphous anodes of lithium-ion batteries

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作者
Yinzhao Rao,Fanhou Kong,Yuanhao Zheng,Yuyi Deng,Maloba K. Tabi,Liang Xue,Ruiqi Bai,Xiaojia Bi,Zelin Chen,Dan Wang,Xiaolong Yu,Hong Jiang,Changjiu Li
出处
期刊:Renewable & Sustainable Energy Reviews [Elsevier]
卷期号:165: 112613-112613 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.rser.2022.112613
摘要

As potential electrode materials with a high specific capacity, vanadium-based amorphous materials have attracted a great deal of attention in lithium-ion batteries (LIBs). Herein, different valence states of manganese, MnO 2 and Mn 2 O 3 are utilized to replace V in V 2 O 5 . The results reveal that the MnO 2- substituted glass exhibits a high initial capacity of 1029.8 mAh g −1 and preserves a capacity of 210.3 mAh g −1 after 50 cycles at the current density of 10 mA g −1 . After Mn substitution, the content of V 4+ increases from 15.6% to 57.3% and 60.9%. Moreover, it is demonstrated that the increase in average valence state of Mn effectively suppresses the Jahn-Teller effect in the local structure. For instance, both VO and Li 3 MnO 4 nano-crystals are identified after 50 charge/discharge cycles, whose synergistic effect with the amorphous matrix ameliorates the conductivity of the electrode and enhances the reaction kinetics. Furthermore, density functional theory calculations reveal that the substitution of Mn moves the Fermi level close to the conduction band to reduce the bond gap, corresponding to an increase in conductivity, and facilitates the charges transfer from Li to O contrarily, improving the cyclic stability of the anode material. The order-disorder transition mechanism presents a novel perspective for the selection of materials for LIBs. • Replacement of Mn increases V 4+ /V 3+ content and improves the conductivity. • An increase in the average valence state of Mn suppresses the Jahn-Teller effect. • VO and Li 3 MnO 4 crystals increase charge storage capacity and Li + transfer rate. • Based on theoretical calculations, the Fermi level lies close to the conduction band. • Order-disorder transition plays a key role in selecting battery materials.
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