Mo‐Incorporated Magnetite Fe <sub>3</sub> O <sub>4</sub> Featuring Cationic Vacancies Enabling Fast Lithium Intercalation for Batteries

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作者
Shasha Guo,Toshinari Koketsu,Zhiwei Hu,Jing Zhou,Chang-Yang Kuo,Hong-Ji Lin,Chien-Te Chen,Peter Strasser,Lijun Sui,Yu Xie,Jiwei Ma
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: 2203835-2203835
标识
DOI:10.1002/smll.202203835
摘要

Transition metal oxides (TMOs) as high-capacity electrodes have several drawbacks owing to their inherent poor electronic conductivity and structural instability during the multi-electron conversion reaction process. In this study, the authors use an intrinsic high-valent cation substitution approach to stabilize cation-deficient magnetite (Fe3 O4 ) and overcome the abovementioned issues. Herein, 5 at% of Mo4+ -ions are incorporated into the spinel structure to substitute octahedral Fe3+ -ions, featuring ≈1.7 at% cationic vacancies in the octahedral sites. This defective Fe2.93 ▫0.017 Mo0.053 O4 electrode shows significant improvements in the mitigation of capacity fade and the promotion of rate performance as compared to the pristine Fe3 O4 . Furthermore, physical-electrochemical analyses and theoretical calculations are performed to investigate the underlying mechanisms. In Fe2.93 ▫0.017 Mo0.053 O4 , the cationic vacancies provide active sites for storing Li+ and vacancy-mediated Li+ migration paths with lower energy barriers. The enlarged lattice and improved electronic conductivity induced by larger doped-Mo4+ yield this defective oxide capable of fast lithium intercalation. This is confirmed by a combined characterization including electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and density functional theory (DFT) calculation. This study provides a valuable strategy of vacancy-mediated reaction to intrinsically modulate the defective structure in TMOs for high-performance lithium-ion batteries.
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