Synergy of cations in high entropy oxide lithium ion battery anode

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作者
Kai Wang,Weibo Hua,Xiaohui Huang,David Stenzel,Junbo Wang,Ziming Ding,Yanyan Cui,Qingsong Wang,Helmut Ehrenberg,Ben Breitung,Christian Kübel,Xiaoke Mu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:57
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37034-6
摘要

High entropy oxides (HEOs) with chemically disordered multi-cation structure attract intensive interest as negative electrode materials for battery applications. The outstanding electrochemical performance has been attributed to the high-entropy stabilization and the so-called 'cocktail effect'. However, the configurational entropy of the HEO, which is thermodynamically only metastable at room-temperature, is insufficient to drive the structural reversibility during conversion-type battery reaction, and the 'cocktail effect' has not been explained thus far. This work unveils the multi-cations synergy of the HEO Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O at atomic and nanoscale during electrochemical reaction and explains the 'cocktail effect'. The more electronegative elements form an electrochemically inert 3-dimensional metallic nano-network enabling electron transport. The electrochemical inactive cation stabilizes an oxide nanophase, which is semi-coherent with the metallic phase and accommodates Li+ ions. This self-assembled nanostructure enables stable cycling of micron-sized particles, which bypasses the need for nanoscale pre-modification required for conventional metal oxides in battery applications. This demonstrates elemental diversity is the key for optimizing multi-cation electrode materials.
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