Hubbard Gap Closure‐Induced Dual‐Redox Li‐Storage Mechanism as the Origin of Anomalously High Capacity and Fast Ion Diffusivity in MOFs‐Like Polyoxometalates

热扩散率 离子 溶解 氧化还原 材料科学 锂(药物) 化学物理 化学工程 电极 纳米技术 化学 物理化学 热力学 有机化学 冶金 物理 工程类 内分泌学 医学
作者
Xinran Wang,Songjie Li,Feng Wu,Hailong Chen,Wenxing Chen,Wenbin Zhao,Kaidi Kang,Ruiqi Guo,Yuheng Sun,Liqing Zhai,Ran Zhao,Ai Gao,Chuan Wu,Ying Bai
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (4): e202416735-e202416735 被引量:6
标识
DOI:10.1002/anie.202416735
摘要

Abstract MOFs‐like polyoxometalate (POMs) electrodes, harvesting combined advantages of interlocking porosity and multi‐electron transfer reaction, have already emerged as promising candidates for lithium‐ion batteries (LIBs), yet the origins of the underlying redox mechanism in such materials remain a matter of uncertainty. Of critical challenges are the anomalously high storage capacities beyond their theoretical values and the fast ion diffusivity that cannot be satisfactorily comprehended in the theory of crystal lattice. Herein, for the first time we decode t 2g electron occupation‐regulated dual‐redox Li‐storage mechanism as the true origin of extra capacity in POMs electrodes. The lattice and electronic transition of active centers and reaction intermediates were systematically decoupled through density functional theory (DFT) and a suite of structural spectroscopic investigations, such as X‐ray absorption near‐edge spectroscopy (XANES), soft X‐ray absorption spectroscopy (sXAS) and 7 Li solid‐state nuclear magnetic resonance (NMR). Enhanced V‐t 2g orbital occupation by Li coordination significantly triggers the Hubbard gap closure and reversible Li deposition/dissolution at surface region. Conjugated V−O‐Li configuration at interlayers endow Li + ion pathways along pore walls as the dominant contribution to the low migration barrier and fast diffusivity. As a result, remarkable cycle stability (~100 % capacity retention after 2000 cycles at 1 A g −1 ), extremely high specific capacity (1200 mAh g −1 at 100 mA g −1 ) and excellent rate performance (404 mAh g −1 at 8 A g −1 ) were achieved, providing new understandings on the underlying mechanism of POMs electrodes and pivotal guidance for dual‐storage materials.
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