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Stabilization of O–O Bonds by d0 Cations in Li4+ x Ni1– x WO6 (0 ≤ x ≤ 0.25) Rock Salt Oxides as the Origin of Large Voltage Hysteresis

氧化还原 化学 锂(药物) 氧化态 阴极 盐(化学) 过渡金属 离子 氧化物 无机化学 金属 碱土金属 氧气 磁滞 结晶学 物理化学 催化作用 物理 内分泌学 有机化学 医学 量子力学 生物化学
作者
Zane Taylor,Arnaud J. Perez,José Antonio Coca Clemente,Filipe Braga,Nicholas E. Drewett,Michael J. Pitcher,William J. Thomas,Matthew Stephen Dyer,Christopher M. Collins,Marco Zanella,Timothy J. Johnson,Sarah J. Day,Chiu Chung Tang,V.R. Dhanak,John B. Claridge,Laurence J. Hardwick,Matthew J. Rosseinsky
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (18): 7333-7346 被引量:85
标识
DOI:10.1021/jacs.8b13633
摘要

Abstract Multinary lithium oxides with the rock salt structure are of technological importance as cathode materials in rechargeable lithium ion batteries. Current state-of-the-art cathodes such as LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 rely on redox cycling of earth-abundant transition-metal cations to provide charge capacity. Recently, the possibility of using the oxide anion as a redox center in Li-rich rock salt oxides has been established as a new paradigm in the design of cathode materials with enhanced capacities (>200 mAh/g). To increase the lithium content and access electrons from oxygen-derived states, these materials typically require transition metals in high oxidation states, which can be easily achieved using d0 cations. However, Li-rich rock salt oxides with high valent d0 cations such as Nb5+ and Mo6+ show strikingly high voltage hysteresis between charge and discharge, the origin of which is uninvestigated. In this work, we study a series of Li-rich compounds, Li4+xNi1–xWO6 (0 ≤ x ≤ 0.25) adopting two new and distinct cation-ordered variants of the rock salt structure. The Li4.15Ni0.85WO6 (x = 0.15) phase has a large reversible capacity of 200 mAh/g, without accessing the Ni3+/Ni4+ redox couple, implying that more than two-thirds of the capacity is due to anionic redox, with good cyclability. The presence of the 5d0 W6+ cation affords extensive (>2 V) voltage hysteresis associated with the anionic redox. We present experimental evidence for the formation of strongly stabilized localized O–O single bonds that explain the energy penalty required to reduce the material upon discharge. The high valent d0 cation associates localized anion–anion bonding with the anion redox capacity.

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