Understanding the different effects of 4d-transition metals on the performance of Li-rich cathode Li2MnO3 by first-principles

文献情報

出版日 2022-12-14
DOI 10.1039/D2CP04271A
インパクトファクター 3.676
著者

Shiwei Zhang, Jianchuan Wang, Xiaoma Tao, Xiangyu Yan, Yong Du, Hans J. Seifert, Ting Lei


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要旨

The poor cycling performance of Li-rich cathode Li2MnO3, a promising cathode for next-generation Li-ion batteries, limits its commercial applications. Transition metal (TM) doping is widely applied to optimize the electrochemical performance of Li2MnO3, where the d valence electrons of the TM play a crucial role. Nevertheless, the rule of the doping effect of TM with various numbers of d electrons has not been well summarized. In this work, 4d-TMs (Zr, Nb, Mo, Ru and Rh) are selected as dilute doping elements for Li2MnO3 to evaluate their effect on the performance of Li2MnO3 through first-principles calculations. The calculations indicate that as the number of 4d electrons increases, the doped TM transforms from an electrochemically inert state (Zr and Nb) to an electrochemically active state (Mo, Ru and Rh) in Li2MnO3. Meanwhile, the orbital hybridization between the 4d electrons of the TM and the 2p electrons of O becomes stronger from Zr to Rh, which promotes the co-oxidation of the TM and O for charge compensation and alleviates the excessive oxidation of O, thus enhancing the stability of O. Moreover, the oxidation of the doped TM and lattice Mn during charging can trigger a decrease in the initial average delithiation potential. Although the 4d-TMs exhibit slight promoting or inhibiting effects on Li diffusion, no obvious rule related to the number of d electrons has been found. Our work highlights the rule of the doping effect of TMs with different 4d electrons on the electrochemical performance of Li2MnO3 and would facilitate a better design of Li2MnO3 cathode materials.

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DOI: 10.1039/C7PY90124K

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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