Mechanistic insights for the development of Li-O2 battery materials: Addressing Li2O2 conductivity limitations and electrolyte and cathode instabilities

Chemical Communications

Volumn 51, Issue 64, 2015, Pages 12701-12715

  McCloskey, Bryan D ^a,b   Burke, Colin M ^a,b   Nichols, Jessica E ^a,b   Renfrew, Sara E ^a,b  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTROLYTE; LITHIUM; OXYGEN;

ELECTRIC CONDUCTANCE; ELECTROCHEMICAL ANALYSIS; ELECTROCHEMISTRY; ENERGY COST; MECHANICS; NUCLEOPHILICITY; OXIDATION KINETICS; OXIDATION REDUCTION POTENTIAL; REVIEW;

EID: 84938614160     PISSN: 13597345     EISSN: 1364548X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c5cc04620c     Document Type: Review

References (139)

1. K. M. Abraham J. Phys. Chem. Lett. 2015 6 830 844
2. F. T. Wagner B. Lakshmanan M. F. Mathias J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 2204 2219
3. M. S. Whittingham Chem. Rev. 2014 114 11414 11443
4. J. B. Goodenough Y. Kim Chem. Mater. 2010 22 587 603
5. R. V. Noorden Nature 2014 507 26 28
6. M. N. Obrovac V. L. Chevrier Chem. Rev. 2014 114 11444 11502
7. A. C. Luntz B. D. McCloskey Chem. Rev. 2014 114 11721 11750
8. A. Manthiram Y. Fu S.-H. Chung C. Zu Y.-S. Su Chem. Rev. 2014 114 11751 11787
9. X. Ji L. F. Nazar J. Mater. Chem. 2010 20 9821 9826
10. I. Shterenberg M. Salama Y. Gofer E. Levi D. Aurbach MRS Bull. 2014 39 453 460
11. J. Muldoon C. B. Bucur T. Gregory Chem. Rev. 2014 114 11683 11720
12. J. W. Fergus J. Power Sources 2010 195 939 954
13. Z. Li N. A. Chernova J. Feng S. Upreti F. Omenya M. S. Whittingham J. Electrochem. Soc. 2011 159 A116 A120
14. M. Bettge Y. Li K. Gallagher Y. Zhu Q. Wu W. Lu I. Bloom D. P. Abraham J. Electrochem. Soc. 2013 160 A2046 A2055
15. T. Ohzuku S. Takeda M. Iwanaga J. Power Sources 1999 81-82 90 94
16. F. Lin I. M. Markus D. Nordlund T.-C. Weng M. D. Asta H. L. Xin M. M. Doeff Nat. Commun. 2014 5 3529
17. G. Girishkumar B. McCloskey A. C. Luntz S. Swanson W. Wilcke J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 2193 2203
18. P. G. Bruce S. A. Freunberger L. J. Hardwick J.-M. Tarascon Nat. Mater. 2012 11 19 29
19. J. Christensen P. Albertus R. S. Sanchez-Carrera T. Lohmann B. Kozinsky R. Liedtke J. Ahmed A. Kojic J. Electrochem. Soc. 2012 159 R1 R30
20. J. Lu L. Li J.-B. Park Y.-K. Sun F. Wu K. Amine Chem. Rev. 2014 114 5611 5640
21. K. G. Gallagher S. Goebel T. Greszler M. Mathias W. Oelerich D. Eroglu V. Srinivasan Energy Environ. Sci. 2014 7 1555 1563
22. D. G. Kwabi N. Ortiz-Vitoriano S. A. Freunberger Y. Chen N. Imanishi P. G. Bruce Y. Shao-Horn MRS Bull. 2014 39 443 452
23. A. Kraytsberg Y. Ein-Eli J. Power Sources 2011 196 886 893
24. L. Li X. Zhao A. Manthiram Electrochem. Commun. 2012 14 78 81
25. S. J. Visco and Y. S. Nimon, US Pat., 7,645,543, 2010
26. T. Zhang N. Imanishi Y. Shimonishi A. Hirano Y. Takeda O. Yamamoto N. Sammes Chem. Commun. 2010 46 1661 1663
27. Y. Wang H. Zhou J. Power Sources 2010 195 358 361
28. S. J. Visco, L. C. De Jonghe, Y. S. Nimon, A. Petrov and K. Pridatko, US Pat., 8,323,820, 2012
29. A. Galbraith, The lithium-water-air battery for automotive propulsion, Union Internationale des Producteurs et Distributeurs d'Energie Electrique and Electric Vehicle Council, 4th International Electric Vehicle Symposium, 1976, 1
30. B. D. McCloskey A. Valery A. C. Luntz S. R. Gowda G. M. Wallraff J. M. Garcia T. Mori L. E. Krupp J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 2989 2993
31. K. M. Abraham Z. Jiang J. Electrochem. Soc. 1996 143 1 5
32. B. D. McCloskey D. S. Bethune R. M. Shelby T. Mori R. Scheffler A. Speidel M. Sherwood A. C. Luntz J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 3043 3047
33. W. Xu J. 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
34. N. B. Aetukuri B. D. McCloskey J. M. García L. E. Krupp V. Viswanathan A. C. Luntz Nat. Chem. 2015 7 50 56
35. K. U. Schwenke M. Metzger T. Restle M. Piana H. A. Gasteiger J. Electrochem. Soc. 2015 162 A573 A584
36. M. Leskes A. J. Moore G. R. Goward C. P. Grey J. Phys. Chem. C 2013 117 26929 26939
37. M. Leskes N. E. Drewett L. J. Hardwick P. G. Bruce G. R. Goward C. P. Grey Angew. Chem. 2012 124 8688 8691
38. 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
39. J. Yang D. Zhai H.-H. Wang K. C. Lau J. A. Schlueter P. Du D. J. Myers Y.-K. Sun L. A. Curtiss K. Amine Phys. Chem. Chem. Phys. 2013 15 3764 3771
40. D. Zhai K. C. Lau H.-H. Wang J. Wen D. J. Miller J. Lu F. Kang B. Li W. Yang J. Gao E. Indacochea L. A. Curtiss K. Amine Nano Lett. 2015 15 1041 1046
41. I. L. Vol'nov S. A. Tokareva V. N. Belevskii V. I. Klimanov Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Khim. 1967 7 1411 1414
42. 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
43. A. C. Luntz V. Viswanathan J. Voss J. B. Varley J. K. Nørskov R. Scheffler A. Speidel J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 3494 3499
44. B. D. McCloskey R. Scheffler A. Speidel D. S. Bethune R. M. Shelby A. C. Luntz J. Am. Chem. Soc. 2011 133 18038 18041
45. 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
46. B. D. McCloskey D. S. Bethune R. M. Shelby G. Girishkumar A. C. Luntz J. Phys. Chem. Lett. 2011 2 1161 1166
47. C. J. Barile A. A. Gewirth J. Electrochem. Soc. 2013 160 A549 A552
48. N. Tsiouvaras S. Meini I. Buchberger H. A. Gasteiger J. Electrochem. Soc. 2013 160 A471 A477
49. F. Mizuno S. Nakanishi Y. Kotani S. Yokoishi H. Iba Electrochemistry 2010 78 403 405
50. S. A. Freunberger Y. Chen Z. Peng J. M. Griffin L. J. Hardwick F. Barde P. Novak P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2011 133 8040 8047
51. V. S. Bryantsev M. Blanco J. Phys. Chem. Lett. 2011 2 379 383
52. W. Xu K. Xu V. V. Viswanathan S. A. Towne J. S. Hardy J. Xiao D. Hu D. Wang J.-G. Zhang J. Power Sources 2011 196 9631 9639
53. G. M. Veith J. Nanda L. H. Delmau N. J. Dudney J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 1242 1247
54. E. Nasybulin W. Xu M. H. Engelhard Z. Nie S. D. Burton L. Cosimbescu M. E. Gross J.-G. Zhang J. Phys. Chem. C 2013 117 2635 2645
55. J. Xiao J. Hu D. Wang D. Hu W. Xu G. L. Graff Z. Nie J. Liu J.-G. Zhang J. Power Sources 2011 196 5674 5678
56. R. Younesi M. Hahlin K. Edström ACS Appl. Mater. Interfaces 2013 5 1333 1341
57. V. S. Bryantsev J. Uddin V. Giordani W. Walker D. Addison G. V. Chase J. Electrochem. Soc. 2013 160 A160 A171
58. V. S. Bryantsev F. Faglioni J. Phys. Chem. A 2012 116 7128 7138
59. V. S. Bryantsev V. Giordani W. Walker M. Blanco S. Zecevic K. Sasaki J. Uddin D. Addison G. V. Chase J. Phys. Chem. A 2011 115 12399 12409
60. V. Giordani V. S. Bryantsev J. Uddin W. Walker G. V. Chase D. Addison ECS Electrochem. Lett. 2014 3 A11 A14
61. W. Walker V. Giordani J. Uddin V. S. Bryantsev G. V. Chase D. Addison J. Am. Chem. Soc. 2013 135 2076 2079
62. S. A. Freunberger Y. Chen N. E. Drewett L. J. Hardwick F. Bardé P. G. Bruce Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 8609 8613
63. Y. Chen S. A. Freunberger Z. Peng F. Bardé P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2012 134 7952 7957
64. F. Bardé Y. Chen L. Johnson S. Schaltin J. Fransaer P. G. Bruce J. Phys. Chem. C 2014 118 18892 18898
65. Z. Peng S. A. Freunberger Y. Chen P. G. Bruce Science 2012 337 563 566
66. D. Sharon M. Afri M. Noked A. Garsuch A. A. Frimer D. Aurbach J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 3115 3119
67. R. Younesi P. Norby T. Vegge ECS Electrochem. Lett. 2014 3 A15 A18
68. D. G. Kwabi T. P. Batcho C. V. Amanchukwu N. Ortiz-Vitoriano P. Hammond C. V. Thompson Y. Shao-Horn J. Phys. Chem. Lett. 2014 5 2850 2856
69. N. Mozhzhukhina L. P. Méndez De Leo E. J. Calvo J. Phys. Chem. C 2013 117 18375 18380
70. V. S. Bryantsev Chem. Phys. Lett. 2013 558 42 47
71. A. Khetan A. Luntz V. Viswanathan J. Phys. Chem. Lett. 2015 1254 1259
72. R. S. Assary K. C. Lau K. Amine Y.-K. Sun L. A. Curtiss J. Phys. Chem. C 2013 117 8041 8049
73. J. M. García H. W. Horn J. E. Rice J. Phys. Chem. Lett. 2015 6 1795 1799
74. R. Murugan V. Thangadurai W. Weppner Angew. Chem., Int. Ed. 2007 46 7778 7781
75. F. Li H. Kitaura H. Zhou Energy Environ. Sci. 2013 6 2302 2311
76. B. Kumar J. Kumar R. Leese J. P. Fellner S. J. Rodrigues K. M. Abraham J. Electrochem. Soc. 2010 157 A50 A54
77. L. Cheng W. Chen M. Kunz K. Persson N. Tamura G. Chen M. Doeff ACS Appl. Mater. Interfaces 2015 7 2073 2081
78. M. Kotobuki H. Munakata K. Kanamura Y. Sato T. Yoshida J. Electrochem. Soc. 2010 157 A1076 A1079
79. N. Kamaya K. Homma Y. Yamakawa M. Hirayama R. Kanno M. Yonemura T. Kamiyama Y. Kato S. Hama K. Kawamoto A. Mitsui Nat. Mater. 2011 10 682 686
80. S. P. Ong Y. Mo W. D. Richards L. Miara H. S. Lee G. Ceder Energy Environ. Sci. 2013 6 148 156
81. P. Hartmann T. Leichtweiss M. R. Busche M. Schneider M. Reich J. Sann P. Adelhelm J. Janek J. Phys. Chem. C 2013 117 21064 21074
82. J. Uddin, D. D. Addison, V. Giordani, G. V. Chase and W. Walker, WO 2014153551, 2014
83. A. Lewandowski A. ͆widerska-Mocek J. Power Sources 2009 194 601 609
84. T. Kuboki T. Okuyama T. Ohsaki N. Takami J. Power Sources 2005 146 766 769
85. C. J. Allen S. Mukerjee E. J. Plichta M. A. Hendrickson K. M. Abraham J. Phys. Chem. Lett. 2011 2 2420 2424
86. J. Hassoun F. Croce M. Armand B. Scrosati Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 2999 3002
87. A. Khetan H. Pitsch V. Viswanathan J. Phys. Chem. Lett. 2014 5 1318 1323
88. A. Khetan H. Pitsch V. Viswanathan J. Phys. Chem. Lett. 2014 5 2419 2424
89. Y.-C. Lu H. A. Gasteiger Y. Shao-Horn J. Am. Chem. Soc. 2011 133 19048 19051
90. Y. Shao S. Park J. Xiao J.-G. Zhang Y. Wang J. Liu ACS Catal. 2012 2 844 857
91. V. Viswanathan J. K. Nørskov A. Speidel R. Scheffler S. Gowda A. C. Luntz J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 556 560
92. J. S. Hummelshoj A. C. Luntz J. K. Norskov J. Chem. Phys. 2013 138 034703
93. M. M. Ottakam Thotiyl S. A. Freunberger Z. Peng P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2013 135 494 500
94. S. R. Gowda A. Brunet G. M. Wallraff B. D. McCloskey J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 276 279
95. E. N. Nasybulin W. Xu B. L. Mehdi E. Thomsen M. H. Engelhard R. C. Massé P. Bhattacharya M. Gu W. Bennett Z. Nie C. Wang N. D. Browning J.-G. Zhang ACS Appl. Mater. Interfaces 2014 6 14141 14151
96. 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
97. D. M. Itkis D. A. Semenenko E. Y. Kataev A. I. Belova V. S. Neudachina A. P. Sirotina M. Hävecker D. Teschner A. Knop-Gericke P. Dudin A. Barinov E. A. Goodilin Y. Shao-Horn L. V. Yashina Nano Lett. 2013 13 4697 4701
98. R. Black S. H. Oh J.-H. Lee T. Yim B. Adams L. F. Nazar J. Am. Chem. Soc. 2012 134 2902 2905
99. E. Nasybulin W. Xu M. H. Engelhard Z. Nie X. S. Li J.-G. Zhang J. Power Sources 2013 243 899 907
100. C. V. Amanchukwu J. R. Harding Y. Shao-Horn P. T. Hammond Chem. Mater. 2015 27 550 561
101. M. M. Ottakam Thotiyl S. A. Freunberger Z. Peng Y. Chen Z. Liu P. G. Bruce Nat. Mater. 2013 12 1050 1056
102. B. D. Adams R. Black C. Radtke Z. Williams B. L. Mehdi N. D. Browning L. F. Nazar ACS Nano 2014 8 12483 12493
103. A. Riaz K.-N. Jung W. Chang K.-H. Shin J.-W. Lee ACS Appl. Mater. Interfaces 2014 6 17815 17822
104. H. Lee Y.-J. Kim D. J. Lee J. Song Y. M. Lee H.-T. Kim J.-K. Park J. Mater. Chem. A 2014 2 11891 11898
105. Y. Cui Z. Wen Y. Liu Energy Environ. Sci. 2011 4 4727 4734
106. J. Lu Y. Lei K. C. Lau X. Luo P. Du J. Wen R. S. Assary U. Das D. J. Miller J. W. Elam H. M. Albishri D. Abd El-Hady Y.-K. Sun L. A. Curtiss K. Amine Nat. Commun. 2013 4 2383
107. J. Xie X. Yao Q. Cheng I. P. Madden P. Dornath C.-C. Chang W. Fan D. Wang Angew. Chem. 2015 127 4373 4377
108. O. Gerbig R. Merkle J. Maier Adv. Mater. 2013 25 3129 3133
109. J. B. Varley V. Viswanathan J. K. Norskov A. C. Luntz Energy Environ. Sci. 2014 7 720 727
110. L. Johnson C. Li Z. Liu Y. Chen S. A. Freunberger P. C. Ashok B. B. Praveen K. Dholakia J.-M. Tarascon P. G. Bruce Nat. Chem. 2014 6 1091 1099
111. C. O. Laoire S. Mukerjee K. M. Abraham E. J. Plichta M. A. Hendrickson J. Phys. Chem. C 2010 114 9178 9186
112. C. O. Laoire S. Mukerjee K. M. Abraham E. J. Plichta M. A. Hendrickson J. Phys. Chem. C 2009 113 20127 20134
113. W. Torres N. Mozhzhukhina A. Y. Tesio E. J. Calvo J. Electrochem. Soc. 2014 161 A2204 A2209
114. B. D. McCloskey R. Scheffler A. Speidel G. Girishkumar A. C. Luntz J. Phys. Chem. C 2012 116 23897 23905
115. R. Cao E. D. Walter W. Xu E. N. Nasybulin P. Bhattacharya M. E. Bowden M. H. Engelhard J.-G. Zhang ChemSusChem 2014 7 2436 2440
116. S. Meini M. Piana N. Tsiouvaras A. Garsuch H. A. Gasteiger Electrochem. Solid-State Lett. 2012 15 A45 A48
117. J. Højberg B. D. McCloskey J. Hjelm T. Vegge K. Johansen P. Norby A. C. Luntz ACS Appl. Mater. Interfaces 2015 7 4039 4047
118. S. Meini M. Piana H. Beyer J. Schwämmlein H. A. Gasteiger J. Electrochem. Soc. 2012 159 A2135 A2142
119. B. D. Adams C. Radtke R. Black M. L. Trudeau K. Zaghib L. F. Nazar Energy Environ. Sci. 2013 6 1772 1778
120. Y. C. Lu B. M. Gallant D. G. Kwabi J. R. Harding R. R. Mitchell M. S. Whittingham Y. Shao-Horn Energy Environ. Sci. 2013 6 750 768
121. I. Gunasekara S. Mukerjee E. J. Plichta M. A. Hendrickson K. M. Abraham J. Electrochem. Soc. 2015 162 A1055 A1066
122. C. M. Burke, V. Pande, A. Khetan, V. Viswanathan and B. D. McCloskey, 2015, arXiv preprint arXiv:1503.07925
123. V. Timoshevskii Z. Feng K. H. Bevan J. Goodenough K. Zaghib Appl. Phys. Lett. 2013 103 073901
124. Y. Zhao C. Ban J. Kang S. Santhanagopalan G.-H. Kim S.-H. Wei A. C. Dillon Appl. Phys. Lett. 2012 101 023903
125. M. D. Radin C. W. Monroe D. J. Siegel Chem. Mater. 2015 27 839 847
126. M. D. Radin J. F. Rodriguez F. Tian D. J. Siegel J. Am. Chem. Soc. 2012 134 1093 1103
127. G. V. Chase, S. Zecevic, W. Walker, J. Uddin, K. A. Sasaki, V. Giordani, V. Bryantsev, M. Blanco and D. D. Addison, US Pat., app. 13/093,759, 2011
128. H.-D. Lim H. Song J. Kim H. Gwon Y. Bae K.-Y. Park J. Hong H. Kim T. Kim Y. H. Kim X. Lepró R. Ovalle-Robles R. H. Baughman K. Kang Angew. Chem., Int. Ed. 2014 53 3926 3931
129. Y. Chen S. A. Freunberger Z. Peng O. Fontaine P. G. Bruce Nat. Chem. 2013 5 489 494
130. M. J. Lacey J. T. Frith J. R. Owen Electrochem. Commun. 2013 26 74 76
131. D. Sun Y. Shen W. Zhang L. Yu Z. Yi W. Yin D. Wang Y. Huang J. Wang D. Wang J. B. Goodenough J. Am. Chem. Soc. 2014 136 8941 8946
132. K. M. Abraham and D. M. Pasquariello, US Pat., 4,857,423, 1989
133. T. J. Richardson P. N. Ross J. Electrochem. Soc. 1996 143 3992 3996
134. J. R. Dahn J. Jiang L. M. Moshurchak M. D. Fleischauer C. Buhrmester L. J. Krause J. Electrochem. Soc. 2005 152 A1283 A1289
135. J. Chen C. Buhrmester J. R. Dahn Electrochem. Solid-State Lett. 2005 8 A59 A62
136. B. Xie H. S. Lee H. Li X. Q. Yang J. McBreen L. Q. Chen Electrochem. Commun. 2008 10 1195 1197
137. D. Shanmukaraj S. Grugeon G. Gachot S. Laruelle D. Mathiron J.-M. Tarascon M. Armand J. Am. Chem. Soc. 2010 132 3055 3062
138. A. C. Luntz, B. D. McCloskey, S. Gowda, H. Horn and V. Viswanathan, in The Lithium Air Battery, ed., N. Imanishi, A. C. Luntz, and, P. Bruce, Springer, New York, 2014, ch. 3, pp. 59-120
139. N. Lopez D. J. Graham R. McGuire G. E. Alliger Y. Shao-Horn C. C. Cummins D. G. Nocera Science 2012 335 450 453