Correlating Structure Change With Magnetic Ordering and Spin Fluctuation During Delithiation of Transition Metal Layered Oxide

抗磁性 顺磁性 材料科学 凝聚态物理 阴极 氧化物 磁性结构 反铁磁性 充电顺序 过渡金属 化学物理 磁矩 联轴节(管道) 电化学 感应耦合 铁磁性 相图 相变 自旋(空气动力学) 结构稳定性 结构变化 磁化率 中子衍射 衍射 磁性 相(物质) 电子衍射 磁畴 电子结构
作者
Mingjian Zhang,Zhuo Chen,Tongchao Liu,Deshun Hong,Longlong Fan,Ziyan Wu,Yang Ren,Yu‐Sheng Chen,Feng Pan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e21015-e21015
标识
DOI:10.1002/anie.202521015
摘要

Current Li-ion battery technology relies on Li+ insertion/extraction coupled with electron gaining/loss at both cathodes and anodes. Although extensive efforts have been devoted to studying the structure change of cathode materials with Li+ extraction/insertion, changes in the magnetic properties arising from the accompanying redox processes have been largely overlooked. Here, we systematically investigate both the structure evolution and magnetic-property changes during the delithiation of the representative layered oxide LiCoO2, by combining the operando synchrotron-based x-ray diffraction with dedicated magnetic measurements. We construct a magnetic phase diagram as a function of Li content x in LixCoO2, which closely mirrors the corresponding structure evolution diagram. The results reveal a series of complicated magnetic transitions upon Li extraction: paramagnetic → antiferromagnetic → paramagnetic → diamagnetic → paramagnetic. Moreover, the variation in the effective magnetic moment of Co4+ is strongly correlated with local structural changes within the CoO6 octahedra, indicating that the Co4+ spin-state fluctuation may play an important role in the structure evolution and electrochemical performance. These findings help close a critical gap in understanding structure-magnetism coupling during the electrochemical cycling and may inspire the design of new layered oxide cathodes from a spin-electronics perspective.
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