Charge-compensation in 3d-transition-metal-oxide intercalation cathodes through the generation of localized electron holes on oxygen

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作者
Kun Luo,Matthew R. Roberts,Rong Hao,Niccoló Guerrini,David M. Pickup,Yi‐Sheng Liu,Kristina Edström,Jinghua Guo,A. V. Chadwick,L.-C. Duda,Peter G. Bruce
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:8 (7): 684-691 被引量:1037
标识
DOI:10.1038/nchem.2471
摘要

During the charging and discharging of lithium-ion-battery cathodes through the de- and reintercalation of lithium ions, electroneutrality is maintained by transition-metal redox chemistry, which limits the charge that can be stored. However, for some transition-metal oxides this limit can be broken and oxygen loss and/or oxygen redox reactions have been proposed to explain the phenomenon. We present operando mass spectrometry of (18)O-labelled Li1.2[Ni0.13(2+)Co0.13(3+)Mn0.54(4+)]O2, which demonstrates that oxygen is extracted from the lattice on charging a Li1.2[Ni0.13(2+)Co0.13(3+)Mn0.54(4+)]O2 cathode, although we detected no O2 evolution. Combined soft X-ray absorption spectroscopy, resonant inelastic X-ray scattering spectroscopy, X-ray absorption near edge structure spectroscopy and Raman spectroscopy demonstrates that, in addition to oxygen loss, Li(+) removal is charge compensated by the formation of localized electron holes on O atoms coordinated by Mn(4+) and Li(+) ions, which serve to promote the localization, and not the formation, of true O2(2-) (peroxide, O-O ~1.45 A) species. The quantity of charge compensated by oxygen removal and by the formation of electron holes on the O atoms is estimated, and for the case described here the latter dominates.
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