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Ultrahigh‐Capacity Rocksalt Cathodes Enabled by Cycling‐Activated Structural Changes

材料科学 电化学 阴极 尖晶石 容量损失 相(物质) 自行车 结构稳定性 锂(药物) 离子 氧化还原 降级(电信) 化学工程 化学物理 电极 冶金 物理化学 化学 内分泌学 工程类 历史 考古 有机化学 电信 医学 结构工程 计算机科学
作者
Juhyeon Ahn,Raynald Giovine,Vincent C. Wu,Krishna Prasad Koirala,Chongmin Wang,Raphaële J. Clément,Guoying Chen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (23) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/aenm.202300221
摘要

Abstract Mn‐redox‐based oxides and oxyfluorides are considered the most promising earth‐abundant high‐energy cathode materials for next‐generation lithium‐ion batteries. While high capacities are obtained in high‐Mn content cathodes such as Li‐ and Mn‐rich layered and spinel‐type materials, local structure changes and structural distortions ( often lead to voltage fade, capacity decay, and impedance rise, resulting in unacceptable electrochemical performance upon cycling. In the present study, structural transformations that exploit the high capacity of Mn‐rich oxyfluorides while enabling stable cycling, in stark contrast to commonly observed structural changes that result in rapid performance degradation, are reported. It is shown that upon cycling of a cation‐disordered rocksalt (DRX) cathode (Li 1.1 Mn 0.8 Ti 0.1 O 1.9 F 0.1 , an ultrahigh capacity of ≈320 mAh g −1 (energy density of ≈900 Wh kg −1 ) can be obtained through dynamic structural rearrangements upon cycling , along with a unique voltage profile evolution and capacity rise. At high voltage, the presence of Mn 4+ and Li + vacancies promotes local cation ordering, leading to the formation of domains of a “ δ phase” within the disordered framework. On deep discharge, Mn 4+ reduction, along with Li + insertion transform the structure to a partially ordered DRX phase with a β ′‐LiFeO 2 ‐type arrangement. At the nanoscale, domains of the in situ formed phases are randomly oriented, allowing highly reversible structural changes and stable electrochemical cycling. These new insights not only help explain the superior electrochemical performance of high‐Mn DRXbut also provide guidance for the future development of Mn‐based, high‐energy density oxide, and oxyfluoride cathode materials.
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