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Ultrafast Knock-Off Li+ Diffusion and Subtle Structural Evolution of Li5V3O8 Anode in Lithium-Ion Batteries

锂(药物) 阳极 离子 材料科学 扩散 分析化学(期刊) 物理化学 化学 物理 电极 热力学 色谱法 医学 内分泌学 有机化学
作者
Nan Wang,Yinsheng Xu,John R. Horsley,Sameh M. Osman,Jingxian Yu,Minsu Han,Yusuke Yamauchi,Shengping Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (31): 20123-20132 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02036
摘要

Li5V3O8, a lithiation product derived from the LiV3O8 cathode, has emerged as a promising intercalation-type anode material, boasting a theoretical capacity of 256 mA h g-1. Through a comprehensive combination of experimental and theoretical approaches, we demonstrate its capability to intercalate a substantial amount of Li+ at extremely high rates. Experimental findings reveal that Li5V3O8 exhibits outstanding high-rate capability (with a specific capacity of 152 mA h g-1, 60% of the theoretical capacity at 40 C) and exceptional cyclability (with a capacity retention of 80% after 11,000 cycles at 20 C). The structural changes in Li5V3O8 during the lithiation/delithiation cycles are subtle and reversible. First-principles calculations highlight a knock-off mechanism in Li+ diffusion within Li5V3O8, with an estimated energy barrier ranging from 0.16 to 0.38 eV, considerably lower than that of a direct hopping mechanism (0.62-1.44 eV). These ultrafast ion diffusion properties are attributed to interlock interactions among interstitial tetrahedral Li+ and neighboring octahedral lattice Li+, facilitating long-distance and chain-like Li+ diffusion. This study not only introduces an influential vanadium-based anode material with practical implications for fast-charging lithium-ion batteries but also provides fundamental insights into solid state Li+ diffusion kinetics.
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