El dopaje aniónico del cuprato de litio y su efecto en el desempeño como material catódico de intercalación en baterías de ion de litio Público Deposited

La evolución del oxígeno es uno de los principales factores que contribuyen a la degradación de los materiales catódicos de baterías de ion litio a altos voltajes, lo que da lugar a baja eficiencia coulómbica y problemas de seguridad de la batería. La introducción de diferentes iones, en la estructura de estos materiales, para modificar su comportamiento electroquímico y combatir la evolución de O2 ha sido propuesto e implementado previamente; aunque los beneficios de estas modificaciones son evidentes, no se comprende del todo, la naturaleza de estas modificaciones. En este trabajo se utiliza un enfoque multidisciplinario para estudiar los efectos del dopaje con flúor en la evolución del oxígeno en el Li2CuO2. Para dopar el cuprato de litio y determinar los efectos sobre el comportamiento electroquímico, se estableció una estrategia de síntesis para incorporar flúor en la estructura del material, idealmente en sitios de oxígeno. A través del análisis de ajuste del patrón de difracción, se confirma la presencia de flúor en las muestras sintetizadas, detectando una contracción en la celda unidad de Li2CuO2 en las direcciones a y c, verificando los resultados a través de NMR de estado sólido de 19F. Como resultado del dopaje F, los resultados electroquímicos sugieren una modificación de las propiedades electroquímicas, mostrando una mayor capacidad reversible. El Li2CuO2 sólo descarga 83 mAh g -1 en el décimo ciclo, mientras que el cuprato dopado con 5.0 mol % de flúor alcanza una capacidad de descarga de 133 mAh g-1 . Aunque las mejoras electroquímicas se atribuyen a la presencia de F en la estructura del Li2CuO2, estudios de difracción de Rayos-X in situ durante el ciclado galvanostático descartan una mejora en la estabilidad estructural. No obstante, DEMS in operando determinó que la evolución de oxígeno en el cuprato de litio dopado con F- es efectivamente inhibida.

The formation of oxygen is one of the main factors contributing to the degradation of lithiumion battery cathode materials at high voltages, resulting in low coulombic efficiency and battery safety issues. Introducing different ions in the structure of these materials, to modify their electrochemical behavior and to combat the evolution of O2 has been previously proposed and implemented; although the benefits of these modifications are evident, the nature of these modifications is not fully understood. In this work, a multidisciplinary approach is used to study the effects of fluorine doping on the evolution of oxygen in Li2CuO2 cathodes. To dope lithium cuprate and determine the effects on the electrochemical behavior of the material, a synthesis strategy was established to incorporate fluorine into the structure of the material, ideally in oxygen sites. Through the fitting of the diffraction patterns, the presence of fluorine in the synthesized samples was confirmed, detecting a contraction in the unit cell of Li2CuO2, in the a and c directions, verifying the results through 19F solid state NMR. As a result of F-doping, the electrochemical results suggest a modification of the electrochemical properties, showing a higher reversible capacity. Unmodified Li2CuO2 only discharges 83 mAh g-1 on the tenth cycle, while lithium cuprate doped with 5.0 mol % of fluorine reaches a discharge capacity of 133 mAh g-1 on the tenth cycle. Although the electrochemical improvements are attributed to the presence of F in the structure of Li2CuO2, in situ X-ray diffraction studies during the galvanostatic cycling rule out an improvement in structural stability. However, DEMS in operando determined that the evolution of oxygen in F-doped lithium cuprate is effectively inhibited.

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  • 2020
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