Correlating ligand-to-metal charge transfer with voltage hysteresis in a Li-rich rock-salt compound exhibiting anionic redox

氧化还原 化学 单独一对 磁滞 结晶学 金属 盐(化学) 化学物理 无机化学 电子转移 材料科学 光化学 物理化学 凝聚态物理 分子 有机化学 物理
作者
Biao Li,Moulay Tahar Sougrati,Gwenaëlle Rousse,Anatolii V. Morozov,Rémi Dedryvère,Antonella Iadecola,Anatoliy Senyshyn,Leiting Zhang,Artem M. Abakumov,Marie-Liesse Doublet,Jean‐Marie Tarascon
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:13 (11): 1070-1080 被引量:172
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00775-2
摘要

Anionic redox is a double-edged sword for Li-ion cathodes because it offers a transformational increase in energy density that is also negated by several detrimental drawbacks to its practical implementation. Among them, voltage hysteresis is the most troublesome because its origin is still unclear and under debate. Herein, we tackle this issue by designing a prototypical Li-rich cation-disordered rock-salt compound Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 that shows anionic redox activity and exceptionally large voltage hysteresis while exhibiting a partially reversible Fe migration between octahedral and tetrahedral sites. Through combined in situ and ex situ spectroscopic techniques, we demonstrate the existence of a non-equilibrium (adiabatic) redox pathway enlisting Fe3+/Fe4+ and O redox as opposed to the equilibrium (non-adiabatic) redox pathway involving sole O redox. We further show that the charge transfer from O(2p) lone pair states to Fe(3d) states involving sluggish structural distortion is responsible for voltage hysteresis. This study provides a general understanding of various voltage hysteresis signatures in the large family of Li-rich rock-salt compounds.
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