Lithium-oxygen batteries: Bridging mechanistic understanding and battery performance

Energy and Environmental Science

Volumn 6, Issue 3, 2013, Pages 750-768

  Lu, Yi Chun ^a   Gallant, Betar M ^a   Kwabi, David G ^a   Harding, Jonathon R ^a   Mitchell, Robert R ^a   Whittingham, M Stanley ^b   Shao Horn, Yang ^a  

^a Massachusetts Institute of Technology Cambridge   (United States)

^b BINGHAMTON UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTRIC TRANSPORTATION; ENERGY STORAGE SYSTEMS; HIGH ENERGY DENSITIES; LITHIUM-OXYGEN BATTERIES; OXYGEN EVOLUTION REACTION; OXYGEN REDUCTION REACTION; PRODUCT CHARACTERISTICS; TECHNOLOGICAL CHALLENGES;

CARBON; CATALYSTS; ELECTRIC DISCHARGES; ELECTRODES; ELECTROLYTES; ELECTROLYTIC REDUCTION; LITHIUM; OXYGEN; REACTION KINETICS;

LITHIUM BATTERIES;

CATALYST; CATION; ELECTRODE; ELECTROKINESIS; ELECTROLYTE; ENERGY EFFICIENCY; LITHIUM; OXYGEN; REACTION KINETICS; STORAGE;

EID: 84875641198     PISSN: 17545692     EISSN: 17545706     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c3ee23966g     Document Type: Review

References (128)

1. S. Fletcher, Bottled Lightning, Hill and Wang, 2011
2. M. S. Whittingham Science 1976 192 1126 1127
3. M. S. Whittingham Chem. Rev. 2004 104 4271 4301
4. J. E. Trevey C. R. Stoldt S.-H. Lee J. Electrochem. Soc. 2011 158 A1282 A1289
5. G. Hautier A. Jain S. P. Ong B. Kang C. Moore R. Doe G. Ceder Chem. Mater. 2011 23 3495 3508
6. J. Gaubicher C. Wurm G. Goward C. Masquelier L. Nazar Chem. Mater. 2000 12 3240 3242
7. N. Dupre J. Gaubicher T. Le Mercier G. Wallez J. Angenault M. Quarton Solid State Ionics 2001 140 209 221
8. T. A. Kerr J. Gaubicher L. F. Nazar Electrochem. Solid-State Lett. 2000 3 460 462
9. http://www.sionpower.com/technology.html
10. M. S. Whittingham Proc. IEEE 2012 100 1518 1534
11. H. Chen M. Armand G. Demailly F. Dolhem P. Poizot J.-M. Tarascon ChemSusChem 2008 1 348 355
12. K. S. Kang Y. S. Meng J. Breger C. P. Grey G. Ceder Science 2006 311 977 980
13. J.-H. Lee R. Black G. Popov E. Pomerantseva F. Nan G. A. Botton L. F. Nazar Energy Environ. Sci. 2012 5 9558 9565
14. S. A. Freunberger Y. Chen N. E. Drewett L. J. Hardwick F. Bardé P. G. Bruce Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 8609 8613
15. Y.-C. Lu D. G. Kwabi K. P. C. Yao J. R. Harding J. Zhou L. Zuin Y. Shao-Horn Energy Environ. Sci. 2011 4 2999 3007
16. R. R. Mitchell B. M. Gallant C. V. Thompson Y. Shao-Horn Energy Environ. Sci. 2011 4 2952 2958
17. Z.-L. Wang D. Xu J.-J. Xu L.-L. Zhang X.-B. Zhang Adv. Funct. Mater. 2012 22 3699 3705
18. G. G. Amatucci N. Pereira J. Fluorine Chem. 2007 128 243 262
19. F. Badway F. Cosandey N. Pereira G. G. Amatucci J. Electrochem. Soc. 2003 150 A1318 A1327
20. H. Yamin E. Peled J. Power Sources 1983 9 281 287
21. H. Yamin E. Peled J. Electrochem. Soc. 1983 130 C307
22. P. G. Bruce S. A. Freunberger L. J. Hardwick J. M. Tarascon Nat. Mater. 2012 11 19 29
23. X. Ji K. T. Lee L. F. Nazar Nat. Mater. 2009 8 500 506
24. X. Ji L. F. Nazar J. Mater. Chem. 2010 20 9821 9826
25. Y.-C. Lu H. A. Gasteiger M. C. Parent V. Chiloyan Y. Shao-Horn Electrochem. Solid-State Lett. 2010 13 A69 A72
26. B. D. McCloskey A. Speidel R. Scheffler D. C. Miller V. Viswanathan J. S. Hummelshøj J. K. Nørskov A. C. Luntz J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 997 1001
27. J. Xiao D. Mei X. Li W. Xu D. Wang G. L. Graff W. D. Bennett Z. Nie L. V. Saraf I. A. Aksay J. Liu J.-G. Zhang Nano Lett. 2011 11 5071 5078
28. G. Girishkumar B. McCloskey A. C. Luntz S. Swanson W. Wilcke J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 2193 2203
29. J. S. Lee S. T. Kim R. Cao N. S. Choi M. Liu K. T. Lee J. Cho Adv. Energy Mater. 2011 1 34 50
30. http://gigaom.com/cleantech/10-companies-to-watch-for-outta-arpa-e/
31. http://www.polyplus.com/liair.html
32. R. Selim P. Bro J. Electrochem. Soc. 1974 121 1457 1459
33. I. Yoshimatsu T. Hirai J. Yamaki J. Electrochem. Soc. 1988 135 2422 2427
34. B. M. L. Rao R. W. Francis H. A. Christopher J. Electrochem. Soc. 1977 124 1490 1492
35. J. R. Dahn T. Zheng Y. Liu J. S. Xue Science 1995 270 590 593
36. N. Kambe M. S. Dresselhaus G. Dresselhaus S. Basu A. R. McGhie J. E. Fischer Mater. Sci. Eng. 1979 40 1 4
37. http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200502/05-006E/
38. C.-M. Park J.-H. Kim H. Kim H.-J. Sohn Chem. Soc. Rev. 2010 39 3115 3141
39. C. J. Wen R. A. Huggins J. Electrochem. Soc. 1981 128 1181 1187
40. B. A. Boukamp G. C. Lesh R. A. Huggins J. Electrochem. Soc. 1981 128 725 729
41. C. J. Wen R. A. Huggins J. Solid State Chem. 1981 37 271 278
42. K. M. Abraham Z. Jiang J. Electrochem. Soc. 1996 143 1 5
43. B. D. McCloskey D. S. Bethune R. M. Shelby G. Girishkumar A. C. Luntz J. Phys. Chem. Lett. 2011 2 1161 1166
44. S. A. Freunberger Y. H. Chen Z. Q. Peng J. M. Griffin L. J. Hardwick F. Barde P. Novak P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2011 133 8040 8047
45. D. Aurbach M. L. Daroux P. Faguy E. Yeager J. Electroanal. Chem. 1991 297 225 244
46. B. M. Gallant R. R. Mitchell D. G. Kwabi J. Zhou L. Zuin C. V. Thompson Y. Shao-Horn J. Phys. Chem. C 2012 116 20800 20805
47. R. Black S. H. Oh J. H. Lee T. Yim B. Adams L. F. Nazar J. Am. Chem. Soc. 2012 134 2902 2905
48. R. Younesi M. Hahlin M. Treskow J. Scheers P. Johansson K. Edstrom J. Phys. Chem. C 2012 116 18597 18604
49. R. Younesi M. Hahlin F. Bjorefors P. Johansson K. Edstrom Chem. Mater. 2013 25 77 84
50. G. M. Veith J. Nanda L. H. Delmau N. J. Dudney J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 1242 1247
51. W. Xu J. Z. Hu M. H. Engelhard S. A. Towne J. S. Hardy J. Xiao J. Feng M. Y. Hu J. Zhang F. Ding M. E. Gross J. G. Zhang J. Power Sources 2012 215 240 247
52. K. Mizushima P. C. Jones P. J. Wiseman J. B. Goodenough Mater. Res. Bull. 1980 15 783 789
53. F. T. Wagner B. Lakshmanan M. F. Mathias J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 2204 2219
54. H.-G. Jung J. Hassoun J.-B. Park Y.-K. Sun B. Scrosati Nat. Chem. 2012 4 579 585
55. Z. Peng S. A. Freunberger Y. Chen P. G. Bruce Science 2012 337 563 566
56. Y. C. Zhang C. Y. Wang J. Electrochem. Soc. 2009 156 A527 A535
57. Y.-C. Lu H. A. Gasteiger E. Crumlin J. R. McGuire Y. Shao-Horn J. Electrochem. Soc. 2010 157 A1016 A1025
58. Y.-C. Lu H. A. Gasteiger Y. Shao-Horn J. Am. Chem. Soc. 2011 133 19048 19051
59. D. T. Sawyer J. L. Roberts Jr J. Electroanal. Chem. 1966 12 90 101
60. D. T. Sawyer G. Chiericato C. T. Angelis E. J. Nanni T. Tsuchiya Anal. Chem. 1982 54 1720 1724
61. D. L. Maricle W. G. Hodgson Anal. Chem. 1965 37 1562 1565
62. J. Herranz A. Garsuch H. A. Gasteiger J. Phys. Chem. C 2012 116 19084 19094
63. N. Lopez D. J. Graham R. McGuire G. E. Alliger Y. Shao-Horn C. C. Cummins D. G. Nocera Science 2012 335 450 453
64. M. J. Gibian D. T. Sawyer T. Ungermann R. Tangpoonpholvivat M. M. Morrison J. Am. Chem. Soc. 1979 101 640 644
65. V. S. Bryantsev M. Blanco J. Phys. Chem. Lett. 2011 2 379 383
66. J. March, Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, Wiley-Interscience, 1992
67. R. Black B. Adams L. F. Nazar Adv. Energy Mater. 2012 2 801 815
68. L. J. Hardwick P. G. Bruce Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2012 16 178 185
69. Y. Y. Shao S. Park J. Xiao J. G. Zhang Y. Wang J. Liu ACS Catal. 2012 2 844 857
70. V. S. Bryantsev F. Faglioni J. Phys. Chem. A 2012 116 7128 7138
71. T. Osaka I. Shindo Solid State Commun. 1984 51 421 424
72. Z. Peng S. A. Freunberger L. J. Hardwick Y. Chen V. Giordani F. Barde P. Novak D. Graham J.-M. Tarascon P. G. Bruce Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 6351 6355
73. F. Mizuno S. Nakanishi A. Shirasawa K. Takechi T. Shiga H. Nishikoori H. Iba Electrochemistry 2011 79 876 881
74. J. Herranz A. Garsuch H. A. Gasteiger J. Phys. Chem. C 2012 116 19084 19094
75. Z. Zhang J. Lu R. S. Assary P. Du H.-H. Wang Y.-K. Sun Y. Qin K. C. Lau J. Greeley P. C. Redfern H. Iddir L. A. Curtiss K. Amine J. Phys. Chem. C 2011 115 25535 25542
76. K. R. Ryan L. Trahey B. J. Ingram A. K. Burrell J. Phys. Chem. C 2012 116 19724 19728
77. V. S. Bryantsev J. Uddin V. Giordani W. Walker D. Addison G. V. Chase J. Electrochem. Soc. 2013 160 A160 A171
78. C. J. Allen J. Hwang R. Kautz S. Mukerjee E. J. Plichta M. A. Hendrickson K. M. Abraham J. Phys. Chem. C 2012 116 20755 20764
79. C. O. Laoire S. Mukerjee K. M. Abraham E. J. Plichta M. A. Hendrickson J. Phys. Chem. C 2009 113 20127 20134
80. C. O. Laoire S. Mukerjee K. M. Abraham E. J. Plichta M. A. Hendrickson J. Phys. Chem. C 2010 114 9178 9186
81. Y.-C. Lu Z. C. Xu H. A. Gasteiger S. Chen K. Hamad-Schifferli Y. Shao-Horn J. Am. Chem. Soc. 2010 132 12170 12171
82. A. Debart J. Bao G. Armstrong P. G. Bruce J. Power Sources 2007 174 1177 1182
83. A. Debart A. J. Paterson J. Bao P. G. Bruce Angew. Chem., Int. Ed. 2008 47 4521 4524
84. A. K. Thapa T. Ishihara J. Power Sources 2011 196 7016 7020
85. J. S. Hummelshoj J. Blomqvist S. Datta T. Vegge J. Rossmeisl K. S. Thygesen A. C. Luntz K. W. Jacobsen J. K. Nørskov J. Chem. Phys. 2010 132 071101
86. B. Hammer J. K. Nørskov Adv. Catal. 2000 45 71 129
87. D. C. Sorescu K. D. Jordan P. Avouris J. Phys. Chem. B 2001 105 11227 11232
88. G. K. P. Dathar W. A. Shelton Y. Xu J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 891 895
89. J. Greeley I. E. L. Stephens A. S. Bondarenko T. P. Johansson H. A. Hansen T. F. Jaramillo J. Rossmeisl I. Chorkendorff J. K. Nørskov Nat. Chem. 2009 1 552 556
90. J. K. Nørskov J. Rossmeisl A. Logadottir L. Lindqvist J. R. Kitchin T. Bligaard H. Jonsson J. Phys. Chem. B 2004 108 17886 17892
91. B. D. McCloskey R. Scheffler A. Speidel D. S. Bethune R. M. Shelby A. C. Luntz J. Am. Chem. Soc. 2011 133 18038 18041
92. D. Xu Z.-l. Wang J.-j. Xu L.-l. Zhang X.-b. Zhang Chem. Commun. 2012 48 6948 6950
93. Y. Liu, R. R. Mitchell, L. Zhong, B. M. Gallant, C. V. Thompson, J. Y. Huang and Y. Shao-Horn, 2012, manuscript in preparation
94. M. Radin F. Tian D. Siegel J. Mater. Sci. 2012 47 7564 7570
95. Y. Mo S. P. Ong G. Ceder Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011 84 205446
96. S. P. Ong Y. Mo G. Ceder Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012 85 081105
97. M. D. Radin J. F. Rodriguez F. Tian D. J. Siegel J. Am. Chem. Soc. 2012 134 1093 1103
98. P. Albertus G. Girishkumar B. McCloskey R. S. Sanchez-Carrera B. Kozinsky J. Christensen A. C. Luntz J. Electrochem. Soc. 2011 158 A343 A351
99. J. Kang Y. S. Jung S.-H. Wei A. C. Dillon Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012 85 035210
100. V. Viswanathan K. S. Thygesen J. S. Hummelshoj J. K. Norskov G. Girishkumar B. D. McCloskey A. C. Luntz J. Chem. Phys. 2011 135 214704
101. S. H. Oh L. F. Nazar Adv. Energy Mater. 2012 2 903 910
102. J. Read K. Mutolo M. Ervin W. Behl J. Wolfenstine A. Driedger D. Foster J. Electrochem. Soc. 2003 150 A1351 A1356
103. M. M. Ottakam Thotiyl S. A. Freunberger Z. Peng P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2012 135 494 500
104. Y.-C. Lu Y. Shao-Horn J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 93 99
105. J. R. Harding Y.-C. Lu Y. Tsukada Y. Shao-Horn Phys. Chem. Chem. Phys. 2012 14 10540 10546
106. W. M. Haynes, Physical Constants of Inorganic Compounds, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 2011, pp. 4-72
107. S. Chen W. Sheng N. Yabuuchi P. J. Ferreira L. F. Allard Y. Shao-Horn J. Phys. Chem. C 2008 113 1109 1125
108. B. Scharifker G. Hills Electrochim. Acta 1983 28 879 889
109. R. D. Armstrong M. Fleischmann H. R. Thirsk J. Electroanal. Chem. 1966 11 208 223
110. V. Giordani S. A. Freunberger P. G. Bruce J. M. Tarascon D. Larcher Electrochem. Solid-State Lett. 2010 13 A180 A183
111. S. H. Oh R. Black E. Pomerantseva J. H. Lee L. F. Nazar Nat. Chem. 2012 4 1004 1010
112. H. Lim E. Yilmaz H. R. Byon J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 3210 3215
113. E. J. Crumlin E. Mutoro Z. Liu M. E. Grass M. D. Biegalski Y.-L. Lee D. Morgan H. M. Christen H. Bluhm Y. Shao-Horn Energy Environ. Sci. 2012 5 6081 6088
114. F. Tao S. Dag L.-W. Wang Z. Liu D. R. Butcher H. Bluhm M. Salmeron G. A. Somorjai Science 2010 327 850 853
115. Y.-C. Lu E. J. Crumlin G. M. Veith J. R. Harding E. Mutoro L. Baggetto N. J. Dudney Z. Liu Y. Shao-Horn Sci. Rep. 2012 2 715
116. J. Y. Huang L. Zhong C. M. Wang J. P. Sullivan W. Xu L. Q. Zhang S. X. Mao N. S. Hudak X. H. Liu A. Subramanian H. Y. Fan L. A. Qi A. Kushima J. Li Science 2010 330 1515 1520
117. C. M. Wang W. Xu J. Liu J. G. Zhang L. V. Saraf B. W. Arey D. W. Choi Z. G. Yang J. Xiao S. Thevuthasan D. R. Baer Nano Lett. 2011 11 1874 1880
118. L. Zhong X. H. Liu G. F. Wang S. X. Mao J. Y. Huang Phys. Rev. Lett. 2011 106 248302
119. X. H. Liu H. Zheng L. Zhong S. Huan K. Karki L. Q. Zhang Y. Liu A. Kushima W. T. Liang J. W. Wang J. H. Cho E. Epstein S. A. Dayeh S. T. Picraux T. Zhu J. Li J. P. Sullivan J. Cumings C. S. Wang S. X. Mao Z. Z. Ye S. L. Zhang J. Y. Huang Nano Lett. 2011 11 3312 3318
120. P. Kichambare S. Rodrigues J. Kumar ACS Appl. Mater. Interfaces 2011 4 49 52
121. H. Kitaura H. Zhou Energy Environ. Sci. 2012 5 9077 9084
122. H. Kitaura H. Zhou Adv. Energy Mater. 2012 2 889 894
123. B. Kumar J. Kumar J. Electrochem. Soc. 2010 157 A611 A616
124. S. N. Mohamed N. A. Johari A. M. M. Ali M. K. Harun M. Z. A. Yahya J. Power Sources 2008 183 351 354
125. H. Wang X. Liao Q. Jiang X. Yang Y. He Z. Ma Chin. Sci. Bull. 2012 57 1959 1963
126. D. Zhang R. Li T. Huang A. Yu J. Power Sources 2010 195 1202 1206
127. J. H. J. Hassoun F. Croce M. Armand B. Scrosati Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 2999 3002
128. J. S. Park Y. B. Kim J. H. Shim S. Kang T. M. Gur F. B. Prinz Chem. Mater. 2010 22 5366 5370