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Origin of voltage decay in high-capacity layered oxide electrodes

Authors :
Marie-Liesse Doublet
Matthieu Saubanère
Danielle Gonbeau
Prakash As
VanTendeloo G
Artem M. Abakumov
Laisa Cp
Jean-Marie Tarascon
Hervé Vezin
Kannadka Ramesha
Gwenaëlle Rousse
Dominique Foix
Mariyappan Sathiya
Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE-ERI (ALISTORE-ERI)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
EMAT, University of Antwerp
University of Antwerp (UA)
Institut pluridisciplinaire de recherche sur l'environnement et les matériaux (IPREM)
Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés (IMPMC)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut de Physique du Globe de Paris (IPG Paris)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Collège de France - Chaire Chimie du solide et énergie
Chimie du solide et de l'énergie (CSE)
Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
CSIR (CSIR)
CSIR
Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Intéractions la Réactivité et l'Environnement - UMR 8516 (LASIRE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)
Institut Pluridisciplinaire de Recherche sur l'Environnement et les Matériaux (IPREM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-IPG PARIS-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Chaire Chimie du solide et énergie
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)
Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM ICMMM)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centrale Lille Institut (CLIL)
Source :
Nature Materials, Nature Materials, 2015, pp.1-9. ⟨10.1038/nmat4137⟩, Nature Materials, Nature Publishing Group, 2015, pp.1-9. ⟨10.1038/nmat4137⟩, Nature materials
Publication Year :
2015
Publisher :
HAL CCSD, 2015.

Abstract

International audience; Although Li-rich layered oxides (Li1+xNiyCozMn1−x−y−zO2 > 250 mAh g−1) are attractive electrode materials providing energy densities more than 15% higher than today’s commercial Li-ion cells, they suffer from voltage decay on cycling. To elucidate the origin of this phenomenon, we employ chemical substitution in structurally related Li2RuO3 compounds. Li-rich layered Li2Ru1−yTiyO3 phases with capacities of ~240 mAh g−1 exhibit the characteristic voltage decay on cycling. A combination of transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy studies reveals that the migration of cations between metal layers and Li layers is an intrinsic feature of the charge–discharge process that increases the trapping of metal ions in interstitial tetrahedral sites. A correlation between these trapped ions and the voltage decay is established by expanding the study to both Li2Ru1−ySnyO3 and Li2RuO3; the slowest decay occurs for the cations with the largest ionic radii. This effect is robust, and the finding provides insights into new chemistry to be explored for developing high-capacity layered electrodes that evade voltage decay.

Details

Language :
English
ISSN :
14761122 and 14764660
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nature Materials, Nature Materials, 2015, pp.1-9. ⟨10.1038/nmat4137⟩, Nature Materials, Nature Publishing Group, 2015, pp.1-9. ⟨10.1038/nmat4137⟩, Nature materials
Accession number :
edsair.doi.dedup.....aff9c17e363936a49983753e8970f941