Isothermal Microcalorimetry Analysis of Li/β-MnO2 Discharge

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作者
David J. Arnot,Mallory N. Vila,Esther S. Takeuchi,Amy C. Marschilok,Kenneth J. Takeuchi
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:171 (1): 010524-010524 被引量:1
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ad1ec5
摘要

Despite widespread use over several decades, the lithium/manganese dioxide (Li/MnO 2 ) discharge mechanism is not completely understood owing to the structural complexity of the material. However, an improved understanding could lead to broader adoption as a primary and even secondary cathode material. Here, we examine the discharge of single-phase β -MnO 2 using isothermal microcalorimetry for the first time. Equilibrium voltage and entropy changes are characterized over the entire discharge range and used to rationalize the results. These measurements are supplemented by electrochemical impedance and X-ray diffraction data that give the clearest picture of the β -MnO 2 lithiation process to date. We find that the first half of discharge is dominated by a two-phase reaction to form Li 0.5 MnO 2 followed by single-phase insertion to a composition of Li 1.0 MnO 2 , which confirms prior first-principles calculations. The tetragonal β -MnO 2 lattice undergoes asymmetric expansion from Jahn-Teller distorted Mn 3+ to form an orthorhombic LiMnO 2 phase which retains the 1 × 1 tunnel structure. Microcalorimetry results suggest the presence of parasitic reactions occurring during the second half of discharge, which could arise from decomposition of electrolyte or release and reaction of residual water retained in the structure.

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