Nanoconfinement Geometry of Pillared V 2 O 5 Determines Electrochemical Ion Intercalation Mechanisms, Storage Sites, and Diffusion Pathways

插层(化学) 电化学 材料科学 扩散 离子 无机化学 结晶学 化学物理 化学 电极 物理化学 热力学 物理 有机化学
作者
Jameela Karol,Charles Otieno Ogolla,Mohsen Sotoudeh,Manuel Dillenz,Maciej Tobis,Ellen Vollmer,Yoga Trianzar Malik,Maider Zarrabeitia,Axel Groß,Benjamin Butz,Simon Fleischmann
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (29): 26904-26919 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c08169
摘要

Improving the electrochemical ion intercalation capacity and kinetics in layered host materials is a critical challenge to further develop lithium-ion batteries, as well as emerging cell chemistries based on ions beyond lithium. Modification of the nanoconfining interlayer space within host materials by synthetic pillaring approaches has emerged as a promising strategy; however, the resulting structural properties of host materials, host-pillar interactions as well as associated electrochemical mechanisms remain poorly understood. Herein, we systematically study a series of bilayered V2O5 host materials pillared with alkyldiamines of different lengths, resulting in tunable nanoconfinement geometries with interlayer spacings in the range of 1.0-1.9 nm. The electrochemical Li+ intercalation capacity is increased from approximately 1.0 to 1.5 Li+ per V2O5 in expanded host materials due to the stabilization of new storage sites. The intercalation kinetics improve with expansion due to a transition in Li+ diffusion pathways from 1D to 2D diffusional networks. Operando X-ray diffraction reveals a transition of the intercalation mechanism from solid-solution Li+ intercalation in V2O5 hosts with small and medium interlayer spacings to solvent cointercalation in V2O5 with the largest interlayer spacing. The work systematically demonstrates the impact of nanoconfinement geometry within bilayered V2O5 on the resulting Li+ intercalation metrics and mechanisms, providing insights into both the microstructure and associated electrochemistry of pillared materials.
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