Progress of Key Electronic States in Lithium Ion Battery Materials Probed Through Soft X-ray Spectroscopy

doi:10.7503/cjcu20210232

Abstract

Abstract:

The formidable challenges for developing high energy/power density， low cost， and safe lithium ion battery have necessitated employing advanced tools to understand the intrinsic physical and chemical pro-perties of battery materials. Electronic structure of batteries materials determines the electrochemical performance， e.g.， the potential and sequence of cationic and anionic redox， the voltage and capacity decay mechanism upon electrochemical cycling. It is crucial to detect and control the electronic state evolution of battery materials through advanced experimental characterizations. Synchrotron based soft X-ray spectroscopy stands out as one of the most effective way directly measuring both the occupied and unoccupied states in the vicinity of Fermi level， which is relevant to battery comprehensive performance. As core level spectroscopies， soft X-ray spectroscopy provides direct probe of the relevant transition-metal（TM） 3d states and anion p states in battery materials with elemental， chemical， and orbital sensitivity through excitation from core state to shallow unoccupied state. Quantitative analysis of TM L-edge and anion K-edge soft X-ray spectroscopy provides detailed information about local structural effects， valence， and spin states of battery materials. In this work， we review the soft X-ray spectroscopy of the evolution of electronic state in battery materials. We start with an overview of the main experimental aspects of soft X-ray spectroscopy. We subsequently discuss both cationic and anionic redox in battery materials through soft X-ray spectroscopy， which is meaningful in practice for enhancing the performance of a battery. The recently developed mapping of resonant inelastic X-ray scattering（mRIXS） is a powerful probe of battery chemistry with superior sensitivity. The mRIXS is demonstrated as a reliable technique for fingerprinting oxygen redox， and the tool-of-choice to study the fundamental nature of bulk oxygen states.

Key words: Soft X-ray spectroscopy, Lithium ions battery material, Electronic structure, Cationic redox reaction, Anionic redox reaction

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZHUO Zengqing, PAN Feng. Progress of Key Electronic States in Lithium Ion Battery Materials Probed Through Soft X-ray Spectroscopy[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2332.

Figures/Tables 6

References 45

39	Oishi M.， Fujimoto T.， Takanashi Y.， Orikasa Y.， Kawamura A.， Ina T.， Yamashige H.， Takamatsu D.， Sato K.， Murayama H.， Tanida H.， Arai H.， Ishii H.， Yogi C.， Watanabe I.， Ohta T.， Mineshige A.， Uchimoto Y.， Ogumi Z.， J. Power Sources，2013， 222， 45—51
40	Gent W. E.， Lim K.， Liang Y.， Li Q.， Barnes T.， Ahn S. J.， Stone K. H.， McIntire M.， Hong J.， Song J. H.， Li Y.， Mehta A.， Ermon S.， Tyliszczak T.， Kilcoyne D.， Vine D.， Park J. H.， Doo S. K.， Toney M. F.， Yang W.， Prendergast D.， Chueh W. C.， Nat. Comm.，2017， 8（1）， 2091
41	Li Q.， Lebens⁃Higgins Z. W.， Li Y.， Meng Y. S.， Chuang Y. D.， Piper L. F. J.， Liu Z.， Yang W.， J. Phys. Chem. Lett.，2021， 12（4）， 1138—1143
42	Lee G. H.， Wu J.， Kim D.， Cho K.， Cho M.， Yang W.， Kang Y. M.， Angew. Chem. Int. Ed.，2020， 132（22）， 8759—8766
43	House R. A.， Rees G. J.， Pérez⁃Osorio M. A.， Marie J. J.， Boivin E.， Robertson A. W.， Nag A.， Garcia⁃Fernandez M.， Zhou K. J.， Bruce P. G.， Nat. Energy，2020， 5， 777—785
44	House R. A.， Maitra U.， Pérez⁃Osorio M. A.， Lozano J. G.， Jin L.， Somerville J. W.， Duda L. C.， Nag A.， Walters A.， Zhou K.， Roberts M. R.， Bruce P. G.， Nature，2020， 577（577）， 502—508
1	Yang W.， Liu X.， Qiao R.， Olalde⁃Velasco P.， Spear J. D.， Roseguo L.， Pepper J. X.， Chuang Y. D.， Denlinger J. D.， Hussain Z.， J. Electron Spectros. Relat. Phenomena，2013， 190， Part A， 64—74
2	Ament L. J. P.， van Veenendaal M.， Devereaux T. P.， Hill J. P.， van den Brink J.， Rev. Mod. Phys.，2011， 83（2）， 705—767
3	Groot F. D.， Kotani A.， Core Level Spectroscopy of Solids， CRC Press Taylor & Francis Group， Boca Raton London New York， 2008
4	Stöhr J.， NEXAFS Spectroscopy， Springer， New York， 1996
5	Goodenough J. B.， Kim Y.， Chem. Mater.，2010， 22（3）， 587—603
6	Liu C.， Neale Z. G.， Cao G.， Mater. Today，2016， 19（2）， 109—123
7	Grimaud A.， Hong W. T.， Shao⁃Horn Y.， Tarascon J. M.， Nat. Mater.，2016， 15（2）， 121—126
8	Armand M.， Tarascon J. M.， Nature，2008， 451（7179）， 652—657
9	Li M.， Liu T.， Bi X.， Chen Z.， Amine K.， Zhong C.， Lu J.， Chem. Soc. Rev.，2020， 49（6）， 1688—1705
10	Yang W.， Devereaux T. P.， J. Power Sources，2018， 389，188—197
11	Zhuo Z.， Pan F.， Yang W.， Chinese J. Struc. Chem.，2019， 38（12）， 2009—2014
12	Lin F.， Liu Y.， Yu X.， Cheng L.， Singer A.， Shpyrko O. G.， Xin H. L.， Tamura N.， Tian C.， Weng T. C.， Yang X. Q.， Meng Y. S.， Nordlund D.， Yang W.， Doeff M. M.， Chem. Rev.，2017， 117（21）， 13123—13186
13	Frati F.， Hunault M. O. J. Y.， de Groot F. M. F.， Chem. Rev.，2020， 120（9）， 4056—4110
14	Olalde⁃Velasco P.， Jiménez⁃Mier J.， Denlinger J. D.， Hussain Z.， Yang W. L.， Phys. Rev. B，2011， 83（24）， 241102
15	Yang W. L.， Sorini A. P.， Chen C. C.， Moritz B.， Lee W. S.， Vernay F.， Olalde⁃Velasco P.， Denlinger J. D.， Delley B.， Chu J. H.， Analytis J. G.， Fisher I. R.， Ren Z. A.， Yang J.， Lu W.， Zhao Z. X.， van den Brink J.， Hussain Z.， Shen Z. X.， Devereaux T. P.， Phys. Rev. B，2009， 80（1）， 014508
16	Zhuo Z.， Liu Y. S.， Guo J.， Chuang Y. D.， Pan F.， Yang W.， J. Phys. Chem. Lett.，2020， 11（7）， 2618—2623
17	Roychoudhury S.， Qiao R.， Zhuo Z.， Li Q.， Lyu Y.， Kim J. H.， Liu J.， Lee E.， Polzin B. J.， Guo J.， Yan S.， Hu Y.， Li H.， Prendergast D.， Yang W.， Energy Environ. Mater.，2021， 4， 246—254
18	Zhuo Z.， Pemmaraju C. D.， Vinson J.， Jia C.， Moritz B.， Lee I.， Sallies S.， Li Q.， Wu J.， Dai K.， Chuang Y. D.， Hussain Z.， Pan F.， Devereaux T. P.， Yang W.， J. Phys. Chem. Lett.，2018， 9（21）， 6378—6384
19	Zhuo Z.， Lu P.， Delacourt C.， Qiao R.， Xu K.， Pan F.， Harris S. J.， Yang W.， Chem. Comm.，2018， 54（7）， 814—817
20	Wu J.， Song J.， Dai K.， Zhuo Z.， Wray L. A.， Liu G.， Shen Z. X.， Zeng R.， Lu Y.， Yang W.， J. Am. Chem. Soc.，2017， 139， 18358—18364
21	Yang X.， Lin M.， Zheng G.， Wu J.， Wang X.， Ren F.， Zhang W.， Liao Y.， Zhao W.， Zhang Z.， Xu N.， Yang W.， Yang Y.， Adv. Funct. Mater.，2020， 30（43）， 2004664
22	Zhang J. N.， Li Q.， Ouyang C.， Yu X.， Ge M.， Huang X.， Hu E.， Ma C.， Li S.， Xiao R.， Yang W.， Chu Y.， Liu Y.， Yu H.， Yang X. Q.， Huang X.， Chen L.， Li H.， Nat. Energy，2019， 4（7）， 594—603
23	Zhuo Z.， Olalde⁃Velasco P.， Chin T.， Battaglia V.， Harris S. J.， Pan F.， Yang W.， Appl. Phys. Lett.，2017， 110（9）， 093902
24	Zhuo Z.， Hu J.， Duan Y.， Yang W.， Pan F.， Appl. Phys. Lett.，2016， 109（2）， 023901
25	Qiao R.， Wang Y.， Olalde-Velasco P.， Li H.， Hu Y. S.， Yang W.， J. Power Sources，2015， 273， 1120—1126
26	Qiao R.， Dai K.， Mao J.， Weng T. C.， Sokaras D.， Nordlund D.， Song X.， Battaglia V. S.， Hussain Z.， Liu G.， Yang W.， Nano Energy，2015， 16， 186—195
27	Qiao R.， Chin T.， Harris S. J.， Yan S.， Yang W.， Curr. Appl. Phys.，2013， 13（3）， 544—548
28	Firouzi A.， Qiao R.， Motallebi S.， Valencia C. W.， Israel H. S.， Fujimoto M.， Wray L. A.， Chuang Y. D.， Yang W.， Wessells C. D.， Nat. Comm.，2018， 9（1）， 861
29	Liu X.， Liu J.， Qiao R.， Yu Y.， Li H.， Suo L.， Hu Y. S.， Chuang Y. D.， Shu G.， Chou F.， Weng T. C.， Nordlund D.， Sokaras D.， Wang Y. J.， Lin H.， Barbiellini B.， Bansil A.， Song X.， Liu Z.， Yan S.， Liu G.， Qiao S.， Richardson T. J.， Prendergast D.， Hussain Z.， de Groot F. M. F.， Yang W.， J. Am. Chem. Soc.，2012， 134（33）， 13708—13715
30	Li N.， Sallis S.， Papp J. K.， Wei J.， McCloskey B. D.， Yang W.， Tong W.， ACS Energy Lett.，2019， 4（12）， 2836—2842
31	Xu J.， Sun M.， Qiao R.， Renfrew S. E.， Ma L.， Wu T.， Hwang S.， Nordlund D.， Su D.， Amine K.， Lu J.， McCloskey B. D.， Yang W.， Tong W.， Nat. Comm.，2018， 9（1）， 947
32	Qiao R.， Wray L. A.， Kim J. H.， Pieczonka N. P. W.， Harris S. J.， Yang W.， J. Phys. Chem. C，2015， 119（49）， 27228—27233
33	Eisebitt S.， Böske T.， Rubensson J. E.， Eberhardt W.， Phys. Rev. B，1993， 47（21）， 14103—14109
34	Tröger L.， Arvanitis D.， Baberschke K.， Michaelis H.， Grimm U.， Zschech E.， Phys. Rev. B，1992， 46（6）， 3283—3289
35	Achkar A. J.， Regier T. Z.， Wadati H.， Kim Y. J.， Zhang H.， Hawthorn D. G.， Phys. Rev. B，2011， 83（8）， 081106
36	Li Q.， Qiao R.， Wray L. A.， Chen J.， Zhuo Z.， Chen Y.， Yan S.， Pan F.， Hussain Z.， Yang W.， J. Phys. D Appl. Phys.，2016， 49（41）， 413003
37	Zhuo Z.， Dai K.， Qiao R.， Wang R.， Wu J.， Liu Y.， Peng J.， Chen L.， Chuang Y. D.， Pan F.， Shen Z. X.， Liu G.， Li H.， Devereaux T. P.， Yang W.， Joule，2021， 5（4）， 975—997
38	Manchot W.， Gall H.， Ber. Dtsch. Chem. Ges. B， 1928， 61， 1135—1140
45	Dai K.， Mao J.， Zhuo Z.， Feng Y.， Mao W.， Ai G.， Pan F.， Chuang Y. D.， Liu G.， Yang W.， Nano Energy，2020， 74， 104831

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[1]	XIA Tian, WAN Jiawei, YU Ranbo. Progress of the Structure-property Correlation of Heteroatomic Coordination Structured Carbon-based Single-atom Electrocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220162.
[2]	WANG Zumin, MENG Cheng, YU Ranbo. Doping Regulation in Transition Metal Phosphides for Hydrogen Evolution Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220544.
[3]	SHI Haihan,WU Xiangping,PENG Xinzhe,YU Guojing,DONG Chaoyang,JI Yaoyao,YANG Siwen,CHEN Junlin,WANG Jin,RAN Xueqin,YANG Lei,XIE Linghai,HUANG Wei. An Effective Method of Reducing the Internal Reorganization Energy Based on Windmill-like Grid Composed of Four Carbazoles^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1670.
[4]	SUN Guodong,WANG Xue,JIANG Guoliang,XU Zhiyong,LIU Hongmei. Effects of Gas Adsorption on Two Dimensional Metal-hexaiminobenzene Frameworks^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(5): 995.
[5]	ZHOU Hegen,JIN Hua,GUO Huirui,LIN Jing,ZHANG Yongfan. Electronic Structures and Optical Properties of Cu-based Semiconductors with Chalcopyrite-type Structure^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(3): 518.
[6]	ZHANG Zhaoyan,CHEN Hongshan. Theoretical Studies on the Zintl Crystals Assembled by Al₆ONa₂ Clusters ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(11): 2354.
[7]	TIAN Linfei, ZHANG Chunhua, QU Ning, BI Yanting, ZHANG Hongxing, PAN Qingjiang. Theoretical Studies of Structural Design and Stability of Double-layered Sandwich-like Tetrapyrrolic Uranium Complexes^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(4): 749.
[8]	LI Tan, ZHANG Xiaochao, WANG Kai, LI Rui, FAN Caimei. First-principle Calculations on Electronic Structures and Optical Properties of α, β, γ, δ, ε, η-Bi₂ $O 3 †$ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(5): 920.
[9]	CANG Yuping, CHEN Dong, YANG Fan, YANG Huiming. Theoretical Studies on Tetragonal, Monoclinic and Orthorhombic Distortions of Germanium Nitride Polymorphs^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(4): 674.
[10]	ZHOU Bing, LIU Chuanlin, YANG Jiping, CHEN Gong, HUANG Pengcheng. Electronic Structure and Molecular Packing of Regiosymmetric Oligo(3-methylthiophenes)^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(12): 2593.
[11]	WANG Yan, ZHANG Xiaochao, ZHAO Lijun, ZHAO Xiaoxia, SHI Baoping, FAN Caimei. First Principles Calculations on Electronic Structures and Optical Absorption Properties of Non-metal Doped BiOCl^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(12): 2624.
[12]	MENG Su-Ci, YIN Xiu-Lian, MA Jing, XIE Ji-Min. Theoretical Studies on Solvent Effects and Intermolecular Interactions of Organic π-Conjugated Ligand in Solutions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(11): 2492.
[13]	QIU Yi-Xiang, WANG Shu-Guang. Theoretical Investigations of Phosphine-stabilization on Gold Cluster ³⁺(R=Me, OMe, H, F, Cl, CN) [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(11): 2549.
[14]	HONG Bo, JIN Dong-Ri, LI Yun, MA Ya-Juan, LU Min, LI Xia, ZHANG Hao-Hao, SUN Yu. Theoretical Investigation of Structure and Properties of Ge@C₈₂ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(06): 1259.
[15]	JIA Jin-Qian, XIE Xue-Jia, LIANG Zhen-Hai, ZHANG Xiao-Chao, FAN Cai-Mei, HAN Pei-De. First-principles Study of Ti-doped SnO₂ Semiconductor Solid Solutions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(05): 1050.