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Enhancing the Reversibility of Lattice Oxygen Redox Through Modulated Transition Metal–Oxygen Covalency for Layered Battery Electrodes

材料科学 氧化还原 过渡金属 氧气 电极 电化学 化学物理 析氧 金属 格子(音乐) 化学工程 无机化学 纳米技术 化学 物理化学 催化作用 冶金 物理 声学 生物化学 有机化学 工程类
作者
Chen Cheng,Chi Chen,Shiyong Chu,Haolv Hu,Tianran Yan,Xia Xiao,Xuefei Feng,Jinghua Guo,Dan Sun,Jinpeng Wu,Shaohua Guo,Liang Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (20) 被引量:82
标识
DOI:10.1002/adma.202201152
摘要

Utilizing reversible lattice oxygen redox (OR) in battery electrodes is an essential strategy to overcome the capacity limitation set by conventional transition metal redox. However, lattice OR reactions are often accompanied with irreversible oxygen oxidation, leading to local structural transformations and voltage/capacity fading. Herein, it is proposed that the reversibility of lattice OR can be remarkably improved through modulating transition metal-oxygen covalency for layered electrode of Na-ion batteries. By developing a novel layered P2-Na0.6 Mg0.15 Mn0.7 Cu0.15 O2 electrode, it is demonstrated that the highly electronegative Cu dopants can improve the lattice OR reversibility to 95% compared to 73% for Cu-free counterpart, as directly quantified through high-efficiency mapping of resonant inelastic X-ray scattering. Crucially, the large energetic overlap between Cu 3d and O 2p states dictates the rigidity of oxygen framework, which effectively mitigates the structural distortion of local oxygen environment upon (de)sodiation and leads to the enhanced lattice OR reversibility. The electrode also exhibits a completely solid-solution reaction with an ultralow volume change of only 0.45% and a reversible metal migration upon cycling, which together ensure the improved electrochemical performance. These results emphasize the critical role of transition metal-oxygen covalency for enhancing the reversibility of lattice OR toward high-capacity electrodes employing OR chemistry.
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