Li₂RuO₃-активированные нанокомпозиты литии для передовых катодов с кислородным редоксом

Аннотация

Материалы на основе литии являются перспективными катодами на основе анионного (кислородного) редокса для литий-ионных батарей благодаря их высокой ёмкости и стабильной циклической производительности. В этом исследовании характеризовались свойства литии-катода, активированного Li₂RuO₃. Ожидается, что оксиды рутения будут действовать как хорошие катализаторы, поскольку они могут играть роль в стабилизации анионного редокса. Их высокая электронная проводимость также привлекательна, так как может компенсировать низкую проводимость литии. Нанокомпозиты литии/Li₂RuO₃ демонстрируют стабильную циклическую производительность до достижения предельной ёмкости 500 мАч г⁻¹, что ниже теоретической ёмкости (897 мАч г⁻¹), но превосходит другие литии-катоды. В XPS-анализе, пока пики Ru 3d в спектрах почти не менялись, перекисные (O₂)ⁿ⁻ виды реверсивно формировались и диссоциировали при циклировании. Это чётко подтверждает, что ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ в основном может быть отнесена к анионному (кислородному) редоксу.

Введение

Наше общество всё больше полагается на системы накопления энергии (СНЭ) из-за расширенного использования мобильных телефонов, ноутбуков и электромобилей. Кроме того, электроэнергия, вырабатываемая экологичными системами генерации, должна накапливаться в крупных СНЭ. Эти примеры СНЭ в основном основаны на системах вторичных батарей, что привело к быстрому росту доли рынка литий-ионных батарей (ЛИБ), считающихся самыми передовыми вторичными батареями. Однако энергоплотность современных ЛИБ недостаточна для удовлетворения требований многих приложений. Поэтому много исследований фокусируется на улучшении энергоплотности батарейных систем. В частности, разработка превосходного катодного материала с более высокой реверсивной ёмкостью, чем у традиционных оксидов переходных металлов, представляет большой исследовательский интерес.

Несколько материалов, совместимых с анионным (кислородным) редоксом, могут обещать катоды с высокой энергоплотностью. Реверсивная разрядная ёмкость используемых сейчас катодных материалов основана на редокс-реакции катионных ионов переходных металлов в соединениях. Однако введение анионного редокса, укоренённого в кислороде, потенциально может обеспечить высокую реверсивную ёмкость, преодолевая ёмкостные пределы оксидов переходных металлов. Например, кислородный редокс (ORR) в основном отвечает за высокую энергоплотность Li-богатых материалов, таких как xLi₂MnO₃ − (1 − x)Li(Ni,Mn)O₂. Когда Li-богатые материалы заряжаются за пределами области катионного (оксида переходного металла) редокса, происходит реверсивный ORR (2O²⁻ ➔ O₂^x−). Эта реакция вносит вклад в реверсивную ёмкость Li-богатых материалов в сочетании с катионным редоксом ионов переходных металлов. Однако эти реакции требуют высокого зарядного напряжения (> 4.5 В) для активации ORR, что приводит к деградации органического электролита и вызывает серьёзное затухание ёмкости.

Соединения на основе литии (Li₂O) недавне предложены как катодные материалы на основе ORR. Пока реверсивная ёмкость Li-богатых соединений в основном атрибутируется катионному редоксу ионов переходных металлов, та литии-основанных соединений почти полностью зависит от анионного (кислородного) редокса между O²⁻ и O^x− (0.5 ≤ x < 2). Эта батарейная химия сравнима с Li-воздушными батареями, в том смысле, что она в основном использует ORR. Однако фундаментальная редокс-реакция Li-воздушной батареи основана на фазовом переходе из газа (O₂) в твёрдое (Li₂O₂); эта реакция не является исключительно «фазовым переходом» без изменения состава, а химической реакцией с участием Li-ионов. Однако в этой области исследований она называется «фазовым переходом», потому что сопровождается фазовой сменой. Затухание ёмкости и высокое сверхпотенциал Li-воздушных элементов происходят из-за нестабильности контакта между газом и твёрдым телом, приводящей к замедленной кинетике реакции. Напротив, ионы кислорода в литии-основанных соединениях сохраняют твёрдую фазу без фазового перехода во время заряда и разряда. Поэтому литии-основанные соединения могут быть классифицированы как новый катодный материал для ЛИБ, а не как подкласс Li-воздушных электродов.

На самом деле, ионы кислорода в твёрдой литии трудно активируются в процессе заряда. Поэтому катализаторы (иногда называемые допантами) необходимы для активации ионов кислорода в литии и стабилизации продуктов реакции (Li₂O₂ или LiO₂). Co, Fe и Cu оксиды использовались как катализаторы для активации литии, при этом электрохимическая производительность литии-основанных соединений крайне чувствительна к составу и количеству катализатора. Как часть наших усилий по поиску более эффективного катализатора, Li₂RuO₃ вводится как новый катализатор для активации литии в этом исследовании. Мы отметили, что ион Ru играет роль в стабилизации анионного редокса в Li-богатых оксидах, и что Ru-основанные Li-богатые оксиды демонстрируют более реверсивные кислородные редокс-процессы и структурно более стабильны против выделения кислорода по сравнению с Co, Ni и Mn-основанными Li-богатыми оксидами. Это подразумевает, что ион Ru имеет потенциал быть более стабильным и лучшим катализатором для активации ORR, чем другие ранее используемые ионы переходных металлов (например, Co, Fe и Cu). Кроме того, высокая электронная проводимость оксидов рутения может компенсировать недостаточную проводимость литии. В этой работе мы подготовили нанокомпозиты литии/Li₂RuO₃ и исследовали их свойства с использованием рентгеновской дифракции (XRD), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и электрохимических измерений для подтверждения эффектов оксидов рутения как катализаторов. Схема 1 иллюстрирует структуру нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ и ключевые концепции этого исследования.

Схематическая диаграмма, показывающая структуру нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ и ключевые концепции в этом исследовании.

Методы

Li₂RuO₃ использовался как катализатор для активации нано-литии. Для формирования Li₂RuO₃, RuO₂ (Alfa Aesar, 99.9%) и Li₂CO₃ (Aldrich, 99.99%) прессовали в пеллеты в соотношении 1:1 (моль%) и кальцинировали при 950 °C 24 ч в воздухе. Окальцинированные пеллеты затем помола в порошок. Li₂RuO₃ и нано-литии (Li₂O) порошок (Alfa Aesar, 99.5%) комбинировали для получения содержания Ru (f_Ru = Ru/(Ru + Li)) 0.09, затем диспергировали в бутаноле (Aldrich, безангидрый, 99.8%). Смесь ультразвуково обрабатывали 30 мин и затем фильтровали. Полученный порошок Li₂RuO₃/Li₂O сушили в вакууме при 90 °C 24 ч, затем шарово фрезеровали на планетарной моно-фрезерной машине (PULVERISETTE 6, FRITSCH) для получения нанокомпозита литии/Li₂RuO₃. Фрезерование проводили 150 ч (отдых 30 мин после каждого часа фрезерования) при 600 об/мин. Циркониевые шары диаметром 5 и 10 мм использовали в соотношении 1:1 (масс%). Процесс фрезерования проводили в атмосфере Ar в перчаточном боксе и запечатанном циркониевом контейнере. XRD-образы синтезированного нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ получали на Rigaku Miniflex II в диапазоне 2θ 10–90° с монохроматизированным Cu K_α излучением (λ = 1.5406 Å). Для наблюдения степени дисперсии Li₂RuO₃ и литии в нанокомпозите использовали высокореゾлюционную передаточную электронную микроскопию (HR-TEM; JEM-2100F) и энергодисперсивную рентгеновскую спектроскопию (EDS).

Для электрохимических тестов положительный электрод готовили смешиванием активного материала (нанокомпозит литии/Li₂RuO₃), углеродных нанотрубок и связующего поливинилиденфторида (PVDF) в соотношении 60:30:10 (масс%). В качестве референса, электрод Li₂RuO₃ также готовили в соотношении 80:12:8 (масс% Li₂RuO₃/углеродные нанотрубки/PVDF). Шаровое фрезерование компонентов электрода проводили 90 мин. После этого насадка нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ и Li₂RuO₃ наносили на алюминиевую фольгу и сушили в вакууме при 80 °C 24 ч.

Монетные элементы (2032-тип) использовали для электрохимических тестов с Li-металлом как анодом, 1 M LiPF₆ в этиленкарбонате и диметилкарбонате (1:1 v/v) с 5 об.% виниленкарбоната как электролитом, и полипропилен (Celgard 2400) как сепаратором. Элементы собирали в Ar-наполненном перчаточном боксе. Элементы с нанокомпозитом литии/Li₂RuO₃ циклировали в диапазоне потенциалов 1.8–4.35 В с различными плотностями тока (10, 30, 100, 200 мА г⁻¹). Ёмкость катода, расчётная на основе массы литии, ограничивали 300–600 мАч г⁻¹. Элементы Li₂RuO₃ также циклировали в диапазоне 2.0–4.6 В с плотностью тока 30 мА г⁻¹.

Результаты и обсуждение

Структурные свойства нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ исследовали с помощью XRD и TEM. Рис. 1 показывает XRD-образец нанокомпозита литии/Li₂RuO₃, Li₂RuO₃, Li₂O (литии) и Ru. Дифракционный образец нанокомпозита присутствовал вместе с образами исходных материалов (Li₂RuO₃ и литии) и новыми пиками Ru. Острые и большие пики Ru указывают на то, что часть Li₂RuO₃ декомпозировалась в Ru в процессе фрезерования. Однако широкие, но большие дифракционные пики для Li₂RuO₃ указывают на то, что значительное количество Li₂RuO₃ всё ещё остаётся, хотя большинство кристаллического Li₂RuO₃, кажется, перешло в аморфную фазу в процессе фрезерования. Снижение пиков литии показывает, что кристаллическая литии также перешла в аморфную фазу. Наличие аморфной фазы может иметь негативные эффекты, такие как снижение электрической проводимости. Однако это также может снизить сверхпотенциал, потому что фазовый переход аморфной литии требует меньше энергии, чем кристаллической, во время заряда-разряда.

a XRD-образы нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ по сравнению с Li₂RuO₃, Li₂O и Ru. b TEM-изображения и EDS-элементная карта нанокомпозита литии/Li₂RuO₃.

Основываясь на XRD-анализе, ожидается, что не только аморфный Li₂RuO₃, но и Ru могут действовать как катализаторы для активации литии. Распределение катализаторов и морфология нанокомпозитов наблюдали HR-TEM и EDS-элементной картой. Как показано на рис. 1b, HR-TEM изображение нанокомпозита содержит несколько тёмных точек, которые, вероятно, являются частицами Ru, как подтверждает EDS-карта, показывающая большое количество Ru в этом сечении. После формирования Ru декомпозицией Li₂RuO₃, оно, кажется, трудно тонко диспергировать в процессе фрезерования из-за вязкости металлического Ru. Поэтому некоторые частицы Ru, кажется, агломерированы. Оставшийся материал нанокомпозита, кажется, состоит из однородно распределённых литии и катализатора, как указывает EDS-карта.

Электрохимические свойства элементов с нанокомпозитами литии/Li₂RuO₃ изучали для исследования эффекта катализатора Li₂RuO₃. Рис. 2 показывает вольт-амперные характеристики и циклическую производительность нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ при плотности тока 10 мА г⁻¹. Когда литии перезаряжается, может происходить выделение кислорода, потому что степень окисления кислорода может меняться от −2 (форма Li₂O) до 0 (газ O₂). Чтобы проверить предельную ёмкость, где перезаряд не происходит, заряд-разрядную ёмкость ограничивали 300, 400, 500 и 600 мАч г⁻¹, расчётной на основе массы литии. Как показано на рис. 2a–d, вольт-амперные характеристики нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ кажутся стабильными при всех предельных ёмкостях в течение двух циклов. Когда ёмкость ограничивалась 300 мАч г⁻¹, получался узкий диапазон напряжений (от 3.5 до 2.7 В). Однако по мере увеличения предельной ёмкости диапазон напряжений также увеличивался. Когда ёмкость ограничивалась 600 мАч г⁻¹, напряжение поднималось до ~4.0 В при заряде и снижалось до ~2.0 В при разряде. Рис. 2e–h показывает циклическую производительность нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ при тех же условиях. Нанокомпозиты стабильны при циклировании в предельных ёмкостях 300–500 мАч г⁻¹. Однако когда ёмкость увеличивалась до 600 мАч г⁻¹, ёмкость постепенно начинала снижаться после 13 циклов. Это указывает на то, что стабильный диапазон ёмкости нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ ниже 600 мАч г⁻¹; перезаряд может отвечать за нестабильность ёмкости. Когда литии (Li₂O) заряжается и остаётся в конденсированном состоянии (твёрдом), кислород в литии меняется от O²⁻ до O^x− (0.5 ≤ x < 2). Однако когда литии заряжали выше предела для поддержания твёрдой формы, степень окисления кислорода приближается к нулю, и может генерироваться газовый кислород. Этот процесс приводит к затуханию ёмкости при циклировании. Однако, предполагая редокс-реакцию от литии (Li₂O, O²⁻) к перекиси (Li₂O₂, O¹⁻), теоретическая ёмкость литии составляет 897 мАч г⁻¹. Если редокс-реакция производит O^0.5− (LiO₂), теоретическая ёмкость литии увеличивается до 1341 мАч г⁻¹. Поэтому, с наблюдаемой ёмкостью ниже 600 мАч г⁻¹, предел ёмкости литии в нанокомпозитах литии/Li₂RuO₃ не достигнут.

Вольт-амперные характеристики нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ при предельной ёмкости a 300, b 400, c 500 и d 600 мАч г⁻¹; циклирование при соответствующих предельных ёмкостях e, f, g и h соответственно.

Ёмкость литии тесно ассоциирована с катализаторами, потому что катализатор активирует литии и стабилизирует нестабильные продукты реакции (например, Li₂O₂ и LiO₂). Ниже доступная ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ по сравнению с теоретической ёмкостью литии может означать, что катализатор в нанокомпозите не активирует литии достаточно для извлечения полной ёмкости. Стабилизация продуктов реакции также значимо влияет на стабильность ёмкости литии-катода. Продукты реакции (например, Li₂O₂ и LiO₂), сформированные от редокс-реакции литии, высокореактивны. Таким образом, они склонны реагировать с другими веществами, такими как электролиты, и трансформироваться в другие материалы. Подавление этих побочных реакций и стабилизация продуктов реакции также является функцией катализатора. Как показано на рис. 2h, затухание ёмкости после определённого числа циклов может ассоциироваться с нестабильностью продуктов реакции при циклировании, т.е. 600 мАч г⁻¹ может быть за пределами пределов, которые Ru-основанный катализатор в нанокомпозитах литии/Li₂RuO₃ может стабилизировать продукты реакции.

Хотя ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ не достигает теоретической ёмкости, их стабильная ёмкость (> 500 мАч г⁻¹ на основе массы литии) превосходит ранее сообщённые литии-катоды, приготовленные фрезерованием (< 400 мАч г⁻¹). Это предполагает, что Li₂RuO₃ и его декомпозированная фаза (такая как Ru) эффективно активируют литии и стабилизируют продукты реакции при циклировании. Если катализаторы более полностью диспергированы с литией, они могут показать лучшую каталитическую активность. Другие методы, такие как химическая подготовка (вместо механического фрезерования), должны быть рассмотрены из-за ограничений механического фрезерования.

Ёмкость и циклическая производительность нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ анализировались детально с использованием разных плотностей тока. Рис. 3a сравнивает начальные вольт-амперные профили нанокомпозитов при плотностях тока 10, 30, 100 и 200 мА г⁻¹ с предельной ёмкостью 500 мАч г⁻¹. Форма вольт-амперных профилей не значимо меняется при увеличении плотности тока. Сверхпотенциал элемента с нанокомпозитом намного ниже типичного Li-воздушного элемента, хотя обе системы схоже укоренены в ORR. Пока Li-воздушная система сопровождается большим структурным изменением катода между газом и конденсированными фазами при заряде и разряде, литии-катоды обрабатывают редокс-реакцию и сохраняют конденсированную фазу (твёрдую). Это приводит к снижению энергетического барьера, приписываемого электронному и ионному переносу и фазовой трансформации при заряде и разряде, в результате относительно низкого сверхпотенциала для литии-системы.

Вольт-амперный профиль и циклическая производительность нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ при плотностях тока 10, 30, 100 и 200 мА г⁻¹ с предельной ёмкостью 500 мАч г⁻¹. a Вольт-амперный профиль; циклическая производительность при b 10 мА г⁻¹, c 30 мА г⁻¹, d 100 мА г⁻¹ и e 200 мА г⁻¹.

Циклическая производительность нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ стабильна при предельной ёмкости 500 мАч г⁻¹ (рис. 3b–e). Найквист-диаграммы элементов с нанокомпозитами до циклирования и после выбранных циклов (1-й, 50-й и 100-й) анализировали для определения импеданса при циклировании. Как показано на рис. 4, размер полукруговой части Найквист-диаграммы лишь слегка увеличивается после 1-го цикла по сравнению с измеренным до циклирования. Это указывает на то, что значение импеданса, обычно приписываемое зарядопередаточному сопротивлению и твёрдоэлектролитному интерфейсу, не значимо меняется в начальном цикле. После 50-го цикла импеданс элементов увеличивается, но увеличение импеданса после 100-го цикла менее выражено, предполагая, что импеданс элементов относительно стабилен при циклировании, хоть и немного увеличен.

Найквист-диаграммы элементов с нанокомпозитами литии/Li₂RuO₃ до циклирования и после выбранных циклов (1-й, 50-й и 100-й циклы).

Анализ разрядных кривых нанокомпозитов (рис. 3a) раскрывает незначительное изменение наклона около 2.9–2.7 В (рис. 3a, отмечено красной линией), которое появляется чётче при высокой плотности тока. Учитывая ORR литии, высоковольтная область выше красной линии ассоциирована с аннигиляцией перекисных (O₂)ⁿ⁻ видов, сформированных в процессе заряда, а низковольтная область атрибутируется нейтрализации 2p дырок кислорода. Замечательно, что часть ёмкости наблюдается выше ~3.1 В (рис. 3a), так как разрядная ёмкость из-за чистого редокса литии показана в низковольтном диапазоне < 3.1 В. Поэтому ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ выше ~3.1 В может быть отнесена к другим материалам, а не к литии. Li₂RuO₃, содержащийся в нанокомпозите литии/Li₂RuO₃, может вносить вклад в общую ёмкость, потому что он обладает значительной разрядной ёмкостью. Чтобы наблюдать заряд-разрядные свойства Li₂RuO₃, подготавливали элементы с Li₂RuO₃ как катодом и измеряли вольт-амперную кривую. Как показано на рис. 5a, достаточное заряд требует высокого напряжения ~4.3 В, с большей частью разрядной ёмкости выше 3.1 В. Рис. 5b сравнивает разрядный профиль нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ и Li₂RuO₃, показывая, что вольтовый диапазон двух катодов отличается. Поэтому большая часть разрядной ёмкости нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ связана с редокс-реакцией литии, а не с ёмкостью Li₂RuO₃. Однако есть возможность, что часть ёмкости нанокомпозита литии/Li₂RuO₃, наблюдаемая выше ~3.1 В, обусловлена редокс-реакцией Li₂RuO₃, хотя это маловероятно, потому что значительное количество Li₂RuO₃ декомпозировалось в Ru в процессе фрезерования. Более того, остаточный Li₂RuO₃ перешёл в аморфную фазу, как подтверждено на рис. 1a.

a Заряд-разрядный профиль Li₂RuO₃. b Сравнение разрядного профиля между нанокомпозитом литии/Li₂RuO₃ и Li₂RuO₃.

Для эллицидирования редокс-реакции, происходящей в процессе заряда/разряда, нанокомпозиты литии/Li₂RuO₃ в разных заряженных и разряженных состояниях анализировали с помощью XPS. Рис. 6 показывает спектры O 1s и Ru 3d нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ в цикле. Для измерения нанокомпозиты заряжали до 350 и 500 мАч г⁻¹ (назначены как полностью заряженные), затем разряжали до 250 и 500 мАч г⁻¹ соответственно. Как показано на рис. 6a, спектры O 1s нанокомпозита менялись в процессе заряда. Большие пики при ~531.5 эВ и ~533.5 эВ атрибутированы оксидированным депонированным видам от декомпозиции карбонатных растворителей. Когда образец заряжали до 350 мАч г⁻¹, пик решётки O²⁻ при ~529.5 эВ (отмечен голубым) снижался и появлялся новый пик при ~531 эВ (отмечен красным). Новый пик рос, пока элемент полностью заряжали до 500 мАч г⁻¹, сопровождаясь снижением пика решётки O²⁻. Этот новый пик представляет формирование перекисных (O₂)ⁿ⁻ видов через ORR решёточного кислорода (O²⁻). Эти виды нестабильны и легко растворимы в жидком электролите; однако XPS-спектры показывают, что они существуют в твёрдой структуре, что, вероятно, обусловлено катализатором. Когда образец разряжали, пики, связанные с перекисными (O₂)ⁿ⁻ видами, снижались и почти исчезали (при полном разряде до 500 мАч г⁻¹), сопровождаясь увеличением пика решётки O²⁻. Это подтверждает, что анионный редокс кислородом реверсивно протекает в нанокомпозитах литии/Li₂RuO₃ в процессе заряда/разряда. Рис. 6b показывает спектры Ru 3d, с увеличенным участком Ru 3d_5/2 на рис. 6c; пик Ru 3d не смещается заметно при циклировании, указывая на то, что степень окисления Ru не меняется. Это замечательно, потому что ёмкость Li₂RuO₃, атрибутируемая катионному редоксу, сопровождается изменением степени окисления Ru в дополнение к анионному (кислородному) редоксу. Предыдущий отчёт о смещении пика Ru 3d при циклировании был чётко наблюдаем через XPS-анализ Li₂RuO₃. Однако, основанные на наших результатах, катионный редокс из-за Ru едва вносит вклад в разрядную ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃. Как обсуждалось ранее, подозревалось, что значительная часть ёмкости нанокомпозита литии/Li₂RuO₃ исходит от ёмкости Li₂RuO₃, потому что Li₂RuO₃ в нанокомпозите имеет способность демонстрировать большую ёмкость. Однако, учитывая тот факт, что ёмкость Li₂RuO₃ в значительной степени атрибутируется катионному редоксу Ru, чётко, что большинство ёмкости для нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ генерируется от чистого кислородного редокса литии. Всё ещё возможно, что кислород в аморфной структуре Li₂RuO₃ также может участвовать в ORR, потому что переход от кристаллической к аморфной фазе может изменить электрохимическую производительность. Более того, оксидные виды литии, сформированные от декомпозиции Li₂RuO₃ при фрезеровании, также могут иметь ёмкость. Небольшая часть ёмкости, наблюдаемая выше ~3.1 В, может быть связана с этими дополнительными редокс-реакциями.

XPS-спектры нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃, измеренные в различных точках заряда и разряда. Для измерения нанокомпозиты заряжали до 350 и 500 мАч г⁻¹ (назначены как полный заряд), и разряжали до 250 и 500 мАч г⁻¹ после полного заряда. a O 1s спектры, b Ru 3d спектры, и c Ru 3d_5/2 спектры.

Заключение

Нанокомпозит литии/Li₂RuO₃ был приготовлен процессом фрезерования, и структурная и электрохимическая производительность были характеристированы. Li₂RuO₃ использовался как новый катализатор для активации литии и стабилизации нестабильных продуктов реакции, таких как Li₂O₂ и LiO₂. В процессе фрезерования значительное количество Li₂RuO₃ декомпозировалось в Ru, а оставшееся перешло в аморфную фазу. Кристаллическая литии также перешла в аморфную фазу в процессе фрезерования. Нанокомпозиты литии/Li₂RuO₃ демонстрируют стабильную циклическую производительность до достижения предельной ёмкости 500 мАч г⁻¹. Однако когда предельная ёмкость увеличивалась до 600 мАч г⁻¹, циклирование приводило к нестабильности, указывая на то, что элемент был перезаряжен за пределами предела, который может быть стабильно заряжен и разряжен. Из XPS-анализа подтверждается, что ёмкость нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ в основном атрибутируется реверсивному формированию и диссоциации перекисных (O₂)ⁿ⁻ видов. Напротив, спектры Ru 3d не заметно менялись при циклировании, подтверждая, что вклад катионного (Ru) редокса для ёмкости нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ пренебрежимо мал. Поэтому большинство ёмкости нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ атрибутируется кислородному редоксу литии. Однако некоторое количество ёмкости, конкретно ёмкость в высоковольтной области выше ~3.1 В, может быть связана с другими материалами, присутствующими в нанокомпозитах, такими как оксидные виды литии, сформированные от декомпозиции Li₂RuO₃. Мы верим, что нанокомпозиты литии/Li₂RuO₃ могут быть хорошими кандидатами для разработки литии-катодов с высокой ёмкостью. Наша надежда, что эта работа может способствовать пониманию нанокомпозитов литии/Li₂RuO₃ и стимулировать изучение литии-катодов.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что материалы, данные и ассоциированные протоколы доступны читателям, и все данные, использованные для анализа, включены в эту статью.

Аббревиатуры

ORR:

Кислородный редокс

XRD:

Рентгеновская дифракция

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

EDS:

Энергодисперсивная рентгеновская спектроскопия

PVDF:

Поливинилиденфторид

TEM:

Передаточная электронная микроскопия