β-MnO2 as a cathode material for lithium ion batteries from first principles calculations

文献情報

出版日 2013-04-05
DOI 10.1039/C3CP50392E
インパクトファクター 3.676
著者

Li-Min Liu, Shi-Jin Zhao, Bai-Hai Li, Hao Liu, Xiu-Feng Lang


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要旨

The search for excellent cathodes for lithium batteries is the main topic in order to meet the requirements of low cost, high safety, and high capacity in many real applications. β-MnO2, as a potential candidate, has attracted great attention because of its high stability and potential high capacity among all the phases. Because of the complexity of β-MnO2, some fundamental questions at the atomic level during the charge–discharge process, remain unclear. The lithiation process of β-MnO2 has been systematically examined by first-principles calculations along with cluster expansion techniques. Five stable configurations during the lithium intercalation process are firstly determined, and the electrochemical voltages are from 3.47 to 2.77 eV, indicating the strongly correlated effects of the β-MnO2–LiMnO2 system. During the lithiation process, the changes in the lattice parameters are not symmetric. The analysis of electronic structures shows that Mn ions are in the mixed valence states of Mn3+ and Mn4+ during the lithiation process, which results in Jahn–Teller distortion in Mn3+O6 octahedra. Such results uncover the intrinsic origin of the asymmetric deformation during the charge–discharge process, resulting in the irreversible capacity fading during cycling. From the analysis of the thermal reduction of delithiated LixMnO2, the formation of oxygen is thermodynamically infeasible in the whole extraction process. Our results indicate that β-MnO2 has great potential as a cathode material for high capacity Li-ion batteries.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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