Delocalized Metal–Oxygen π-Redox Is the Origin of Anomalous Nonhysteretic Capacity in Li-Ion and Na-Ion Cathode Materials

离域电子 化学 化学物理 氧化还原 阴极 过渡金属 离子 纳米技术 材料科学 无机化学 物理化学 生物化学 有机化学 催化作用
作者
Daniil A. Kitchaev,Julija Vinckevičiu̅tė,Anton Van der Ven
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (4): 1908-1916 被引量:89
标识
DOI:10.1021/jacs.0c10704
摘要

The anomalous capacity of Li-excess cathode materials has ignited a vigorous debate over the nature of the underlying redox mechanism, which promises to substantially increase the energy density of rechargeable batteries. Unfortunately, nearly all materials exhibiting this anomalous capacity suffer from irreversible structural changes and voltage hysteresis. Nonhysteretic excess capacity has been demonstrated in Na2Mn3O7 and Li2IrO3, making these materials key to understanding the electronic, chemical, and structural properties that are necessary to achieve reversible excess capacity. Here, we use high-fidelity random-phase-approximation (RPA) electronic structure calculations and group theory to derive the first fully consistent mechanism of nonhysteretic oxidation beyond the transition metal limit, explaining the electrochemical and structural evolution of the Na2Mn3O7 and Li2IrO3 model materials. We show that the source of anomalous nonhysteretic capacity is a network of π-bonded metal-d and O-p orbitals, whose activity is enabled by a unique resistance to transition metal migration. The π-network forms a collective, delocalized redox center. We show that the voltage, accessible capacity, and structural evolution upon oxidation are collective properties of the π-network rather than that of any local bonding environment. Our results establish the first rigorous framework linking anomalous capacity to transition metal chemistry and long-range structure, laying the groundwork for engineering materials that exhibit truly reversible capacity exceeding that of transition metal redox.
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