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Elucidation of the Co4+ state with strong charge-transfer effects in charged LiCoO2 by resonant soft X-ray emission spectroscopy at the Co L3 edge
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1039/d4cp03759f Daisuke Asakura, Takaaki Sudayama, Yusuke Nanba, Eiji Hosono, Hisao Kiuchi, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Yoshihisa Harada, Atsuo Yamada, Ru-Pan Wang, Frank M. F. de Groot
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1039/d4cp03759f Daisuke Asakura, Takaaki Sudayama, Yusuke Nanba, Eiji Hosono, Hisao Kiuchi, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Yoshihisa Harada, Atsuo Yamada, Ru-Pan Wang, Frank M. F. de Groot
To understand the electronic-structure change of LiCoO2, a widely used cathode material in Li-ion batteries, during charge–discharge, we performed ex situ soft X-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant soft X-ray emission spectroscopy (RXES) of the Co L3 edge in combination with charge-transfer multiplet calculations. The RXES profile significantly changed for the charged state at 4.2 V vs. Li/Li+, corresponding to the oxidation reaction from a Co3+ low-spin state for the initial state, while the XAS profile exhibited small changes. For the 4.2-V charged state, we confirmed that approximately half of the initial Co3+ ions were oxidized to Co4+ ions. The multiplet calculation of the RXES results revealed that the Co4+ state has a negative charge-transfer energy and the d6 state ( is a ligand hole) is the most stable. Therefore, the O 2p hole created by the strong charge-transfer effect plays a major role in the redox reaction of LiCoO2.
中文翻译:
通过在 Co L3 边缘的共振软 X 射线发射光谱阐明带电 LiCoO2 中具有强电荷转移效应的 Co4+ 状态
为了了解锂离子电池中广泛使用的正极材料 LiCoO2 的电子结构变化,在充放电过程中,我们进行了 Co L3 边缘的非原位软 X 射线吸收光谱 (XAS) 和谐振软 X 射线发射光谱 (RXES) 并结合电荷转移倍数计算。4.2 V 时带电状态的 RXES 曲线与 Li/Li+ 发生显著变化,对应于初始状态下 Co3+ 低自旋态的氧化反应,而 XAS 曲线则表现出微小的变化。对于 4.2 V 充电状态,我们确认大约一半的初始 Co3+ 离子被氧化为 Co4+ 离子。RXES 结果的多重计算表明,Co4+ 状态具有负电荷转移能,而 d6 状态( 是一个配体空穴)是最稳定的。因此,强电荷转移效应产生的 O 2p 空穴在 LiCoO2 的氧化还原反应中起主要作用。
更新日期:2024-12-10
中文翻译:
通过在 Co L3 边缘的共振软 X 射线发射光谱阐明带电 LiCoO2 中具有强电荷转移效应的 Co4+ 状态
为了了解锂离子电池中广泛使用的正极材料 LiCoO2 的电子结构变化,在充放电过程中,我们进行了 Co L3 边缘的非原位软 X 射线吸收光谱 (XAS) 和谐振软 X 射线发射光谱 (RXES) 并结合电荷转移倍数计算。4.2 V 时带电状态的 RXES 曲线与 Li/Li+ 发生显著变化,对应于初始状态下 Co3+ 低自旋态的氧化反应,而 XAS 曲线则表现出微小的变化。对于 4.2 V 充电状态,我们确认大约一半的初始 Co3+ 离子被氧化为 Co4+ 离子。RXES 结果的多重计算表明,Co4+ 状态具有负电荷转移能,而 d6 状态( 是一个配体空穴)是最稳定的。因此,强电荷转移效应产生的 O 2p 空穴在 LiCoO2 的氧化还原反应中起主要作用。