Lithium Intercalation in Anatase Titanium Vacancies and the Role of Local Anionic Environment
In: Chemistry of Materials Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2018, 30 (9), pp.3078-3089. ⟨10.1021/acs.chemmater.8b00925⟩ Chemistry of Materials, 2018, 30 (9), pp.3078-3089. ⟨10.1021/acs.chemmater.8b00925⟩ Ma, J, Li, W, Morgan, B, Światowska, J, Baddour-Hadjean, R, Body, M, Legein, C, Borkiewicz, O, Leclerc, S, Groult, H, Lantelme, F, Laberty-Robert, C & Dambournet, D 2018, ' Lithium Intercalation in Anatase Titanium Vacancies and the Role of Local Anionic Environment ', Chemistry of Materials, vol. 30, no. 9, pp. 3078–3089 https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b00925; (2018-04-07) S. 3078
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unknown
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The structure of bulk and nondefective compounds is generally described with crystal models built from well mastered techniques such the analysis of an X-ray diffractogram. The presence of defects, such as cationic vacancies, locally disrupt the long-range order, with the appearance of local structures with order extending only a few nanometers. To probe and describe the electrochemical properties of cation-deficient anatase, we investigated a series of materials having different concentrations of vacancies, i.e., Ti 1-x-y∞ x+yO 2-4(x+y)F 4x(OH) 4y, and compared their properties with respect to defect-free stoichiometric anatase TiO 2. At first, we characterized the series of materials Ti 1-x-y∞ x+yO 2-4(x+y)F 4x(OH) 4y by means of pair distribution function (PDF), 19F nuclear magnetic resonance (NMR), Raman and X-ray photoelectron spectroscopies, to probe the compositional and structural features. Second, we characterized the insertion electrochemical properties vs metallic lithium where we emphasized the beneficial role of the vacancies on the cyclability of the electrode under high C-rate, with performances scaling with the concentration of vacancies. The improved properties were explained by the change of the lithium insertion mechanism due to the presence of the vacancies, which act as host sites and suppress the phase transition typically observed in pure TiO 2, and further favor diffusive transport of lithium within the structure. NMR spectroscopy performed on lithiated samples provides evidence for the insertion of lithium in vacancies. By combining electrochemistry and DFT-calculations, we characterized the electrochemical signatures of the lithium insertion in the vacancies. Importantly, we found that the insertion voltage largely depends on the local anionic environment of the vacancy with a fluoride and hydroxide-rich environments, yielding high and low insertion voltages, respectively. This work further supports the beneficial use of defects engineering in electrodes for batteries and provides new fundamental knowledge in the insertion chemistry of cationic vacancies as host sites.
Titel: |
Lithium Intercalation in Anatase Titanium Vacancies and the Role of Local Anionic Environment
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Autor/in / Beteiligte Person: | Lantelme, Frédéric ; Legein, Christophe ; Baddour-Hadjean, Rita ; Ma, Jiwei ; Morgan, Benjamin J. ; Groult, Henri ; Leclerc, Sandrine ; Laberty-Robert, Christel ; Body, Monique ; Światowska, Jolanta ; Borkiewicz, Olaf J. ; Dambournet, Damien ; Li, Wei ; PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX) ; Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ; University of Bath [Bath] ; Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP) ; Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP) ; Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ministère de la Culture (MC) ; Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE) ; Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ; 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Quelle: | Chemistry of Materials Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2018, 30 (9), pp.3078-3089. ⟨10.1021/acs.chemmater.8b00925⟩ Chemistry of Materials, 2018, 30 (9), pp.3078-3089. ⟨10.1021/acs.chemmater.8b00925⟩ Ma, J, Li, W, Morgan, B, Światowska, J, Baddour-Hadjean, R, Body, M, Legein, C, Borkiewicz, O, Leclerc, S, Groult, H, Lantelme, F, Laberty-Robert, C & Dambournet, D 2018, ' Lithium Intercalation in Anatase Titanium Vacancies and the Role of Local Anionic Environment ', Chemistry of Materials, vol. 30, no. 9, pp. 3078–3089 https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b00925; (2018-04-07) S. 3078 |
Veröffentlichung: | HAL CCSD, 2018 |
Medientyp: | unknown |
ISSN: | 0897-4756 (print) ; 1520-5002 (print) |
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Sonstiges: |
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