Interface-Mediated Jahn–Teller Effect in a Structure-Reinforced LiMnO 2 Cathode

化学 阴极 失真(音乐) 退化(生物学) 密度泛函理论 异质结 工作(物理) 八面体 凝聚态物理 锂(药物) 原子轨道 轨道重叠 分子轨道 不稳定性 化学物理 非键轨道 分子物理学 水准点(测量) 电子结构 光电子学 逐渐变细 计算物理学 碎片分子轨道 块(置换群论) 能量(信号处理) 电化学 自由度(物理和化学) 纳米技术 混合功能 电极
作者
Hanghui Liu,Tao Shen,Xiaohui Zhu,Mei Yang,Yushuai Yao,Eric Jianfeng Cheng,Yue Zhao,H. C. Li,Shuang Li,Lin Gu,Hui Xia
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 7388-7400 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20036
摘要

Lithium manganese-rich oxides are promising cobalt-free cathodes, but their viability is plagued by cooperative Jahn–Teller (CJT) distortions of Mn3+ ions. Conventional strategies only partially mitigate this instability without addressing its electronic origin. Herein, we demonstrate a paradigm of interfacial orbital ordering to suppress CJT distortions at its root. We construct a spinel-layered LiMnO2 heterostructure with noncollinear JT ordering (SLNC-LMO) and benchmark it against a collinear analog. Atomic-resolution imaging confirms the near-orthogonal arrangement of MnO6 octahedra across the interfaces. Combined with density functional theory calculations, we reveal that this noncollinear ordering introduces orbital geometric frustration, which drastically reduces the eg orbital splitting energy to 0.24 eV from 1.12 eV of the collinear structure. This near restoration of orbital degeneracy suppresses long-range distortion propagation and enhances interfacial cohesion. Consequently, the SLNC-LMO cathode delivers exceptional cycling stability, retaining 100% of its capacity after 500 cycles, far outperforming the collinear counterpart. This work establishes interfacial orbital engineering as a general design principle for stabilizing manganese-rich and other Jahn–Teller-active electrode materials.
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