Mechanistic insights into the phenomena of increasing capacity with cycle number: using pulsed-laser deposited MoO2 thin film electrodes

文献情報

出版日 2019-11-02
DOI 10.1039/C9CP05718H
インパクトファクター 3.676
著者

Michael Fenech, Sean Lim, Jeffrey Cheung, Neeraj Sharma


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要旨

Lithium ion batteries typically lose capacity or energy storage density (i.e. capacity fading) over the course of extended cycling which can be problematic for applications and appears to be exaggerated when high current rates are used. However, in some cases fluctuations in capacity with cycle number and even increases in capacity with cycle number are noted with predominantly thin film based electrodes. Here we demonstrate the synthesis and in-depth characterisation of laser deposited MoO2 thin film anodes and its unconventional mechanism. A MoO2 electrode shows an initial capacity of 79 mA h g−1 which increases to capacities of 600 mA h g−1 at 15.8 A g−1 after 90 000 cycles. A maximum capacity of 1714 mA h g−1 was achieved in an electrode cycled at 1.5 A g−1 for over 3800 cycles, the highest recorded capacity in MoOx anodes to date. The most intriguing aspects of this work is the fact that capacity is shown to fluctuate and typically increase well above the theoretical capacity of MoO2. A combination of electrochemical cycling, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, focused ion beam milling and transmission electron microscopy at various states of cycling is used to illustrate a proposed mechanism. The mechanism illustrated is based on exfoliation of layers of MoO2 off the pulsed laser deposition (PLD) grown MoO2 electrodes during cycling that creates additional surface area and easier access for Li-ions to both adsorb to the surface and insert/react with the host material. Further features in the capacity evolution are rationalised by this mechanism and methods to control the capacity evolution are detailed. These results present a rational explanation for when an electrode undergoes a substantial increase in capacity over its extended cycling life.

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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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