Operando EPR for Simultaneous Monitoring of Anionic and Cationic Redox Processes in Li-Rich Metal Oxide Cathodes

氧化还原 电子顺磁共振 化学 过渡金属 金属 阴极 离域电子 氧化物 无机化学 光化学 物理化学 催化作用 有机化学 核磁共振 物理
作者
Mingxue Tang,Annalisa Dalzini,Xiang Li,Xuyong Feng,Po‐Hsiu Chien,Likai Song,Yan‐Yan Hu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:8 (17): 4009-4016 被引量:123
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.7b01425
摘要

Anionic redox chemistry offers a transformative approach for significantly increasing specific energy capacities of cathodes for rechargeable Li-ion batteries. This study employs operando electron paramagnetic resonance (EPR) to simultaneously monitor the evolution of both transition metal and oxygen redox reactions, as well as their intertwined couplings in Li 2 MnO 3, Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2, and Li 1.2 Ni 0.13 Mn 0.54 Co 0.13 O 2 cathodes. Reversible O 2– /O 2 n – redox takes place above 3.0 V, which is clearly distinguished from transition metal redox in the operando EPR on Li 2 MnO 3 cathodes. O 2– /O 2 n – redox is also observed in Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2, and Li 1.2 Ni 0.13 Mn 0.54 Co 0.13 O 2 cathodes, albeit its overlapping potential ranges with Ni redox. This study further reveals the stabilization of the reversible O redox by Mn and e – hole delocalization within the Mn–O complex. The interactions within the cation–anion pairs are essential for preventing O 2 n – from recombination into gaseous O 2 and prove to activate Mn for its increasing participation in redox reactions. Operando EPR helps to establish a fundamental understanding of reversible anionic redox chemistry. The gained insights will support the search for structural factors that promote desirable O redox reactions.
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